Таблицы причин нестабильности размеров изделий
Таблица 1. Температурные факторы
| Фактор | Влияние на размер | Как проявляется | Способ контроля | Допуск |
|---|---|---|---|---|
| Нагрев станка | Изменение линейных размеров на 5-40 мкм | Деформация передней бабки, смещение оси шпинделя, изменение взаимного расположения узлов | Время прогрева станка 20-30 минут, контроль первых деталей после прогрева | IT7-IT9 |
| Нагрев инструмента | Удлинение резца на 30-50 мкм при температуре 700-800°C | Изменение размеров в процессе обработки, конусность детали | Применение СОЖ, контроль после температурной стабилизации | IT6-IT8 |
| Нагрев заготовки | Линейное расширение 0.010-0.015 мм/мм на 100°C | Увеличение размеров при нагреве, уменьшение при охлаждении, искажение формы | Выдержка времени между черновой и чистовой обработкой, контроль температуры | IT5-IT7 |
| Неравномерный нагрев заготовки | Отклонение от прямолинейности до 0.05-0.2 мм/м | Коробление тонкостенных деталей, бочкообразность или седлообразность | Равномерное охлаждение, симметричное снятие припуска | IT8-IT10 |
| Температура окружающей среды | Изменение на 10-15 мкм при колебании температуры на 5°C | Суточные и сезонные колебания точности обработки | Кондиционирование цеха (20±2°C), термокомпенсация в ЧПУ | IT6-IT8 |
Таблица 2. Износ режущего инструмента
| Фактор | Влияние на размер | Как проявляется | Способ контроля | Допуск |
|---|---|---|---|---|
| Начальный износ | Быстрое изменение размера на 10-20 мкм в первые 5-10 минут работы | Приработка режущей кромки, повышенная скорость износа | Предварительная приработка инструмента на пробных заготовках | IT8-IT10 |
| Нормальный износ | Размерный износ 3-8 мкм на километр пути резания | Постепенное линейное изменение размеров обрабатываемых деталей | Периодическая поднастройка через 30-50 км пути, выборочный контроль | IT7-IT9 |
| Катастрофический износ | Резкое изменение размера более 50 мкм, выкрашивание | Потеря точности, сколы режущей кромки, повышенная шероховатость | Замена инструмента до достижения критического износа | Выход за пределы допуска |
| Износ по задней поверхности | Прямое влияние на размер 1:1 | Увеличение диаметра при точении, уменьшение при растачивании | Измерение фаски износа микроскопом, предельное значение 0.3-0.8 мм | IT6-IT8 |
| Износ по передней поверхности | Косвенное влияние через изменение силы резания | Образование лунки, изменение геометрии режущей кромки | Контроль глубины лунки, допустимое значение до 0.3 мм | IT7-IT9 |
Таблица 3. Жесткость технологической системы
| Фактор | Влияние на размер | Как проявляется | Способ контроля | Допуск |
|---|---|---|---|---|
| Недостаточная жесткость станка | Упругие деформации 20-100 мкм при силе резания 1000-5000 Н | Погрешность формы, конусность, бочкообразность валов | Измерение жесткости по ГОСТ 8-82, нормативное значение 50-200 Н/мкм | IT8-IT11 |
| Податливость инструмента | Отжим резца 10-50 мкм при вылете более 3-4 диаметров державки | Вибрации, конусность при продольной обработке, неравномерность глубины резания | Уменьшение вылета резца, применение антивибрационных резцов | IT7-IT10 |
| Деформация заготовки | Прогиб тонкостенных деталей 50-500 мкм | Овальность, конусность, изменение размеров после раскрепления | Применение люнетов, уменьшение силы зажима, симметричная обработка | IT9-IT12 |
| Вибрации технологической системы | Амплитуда колебаний 5-50 мкм, частота 50-500 Гц | Волнистость поверхности, повышенная шероховатость, дробление стружки | Виброметрия, корректировка режимов резания, демпфирование | IT8-IT11 |
| Зазоры в сопряжениях | Мертвый ход 10-30 мкм в направляющих | Реверсивная погрешность, непостоянство размеров при смене направления подачи | Регулировка зазоров, применение клиновых направляющих с натягом | IT9-IT12 |
Таблица 4. Геометрические погрешности станков
| Фактор | Влияние на размер | Как проявляется | Способ контроля | Допуск |
|---|---|---|---|---|
| Непараллельность оси шпинделя и направляющих | Конусность 5-30 мкм на длине 300 мм | Систематическая погрешность формы - конусность валов и отверстий | Контроль контрольной оправкой и индикатором по ГОСТ 18097 | 0.01-0.02 мм/300 мм для класса Н |
| Радиальное биение шпинделя | Отклонение от круглости 2-10 мкм | Овальность, огранка поперечного сечения детали | Измерение биения на контрольной оправке индикатором | 0.003-0.008 мм для класса Н |
| Осевое биение шпинделя | Торцевое биение 3-15 мкм | Непараллельность торца относительно оси, неперпендикулярность | Контроль индикатором на контрольной планшайбе | 0.005-0.015 мм для класса Н |
| Неперпендикулярность оси шпинделя к направляющим суппорта | Непараллельность торца 10-25 мкм на диаметр 100 мм | Торец детали не перпендикулярен оси | Обработка пробной детали, измерение перпендикулярности | 0.015-0.025 мм на диаметр 100 мм |
| Неточность ходового винта | Накопленная погрешность шага 20-100 мкм на длине 300 мм | Погрешность шага резьбы, неравномерность перемещения | Измерение погрешности эталонным винтом | 0.02-0.05 мм на длине 300 мм |
Таблица 5. Внутренние напряжения в материале
| Фактор | Влияние на размер | Как проявляется | Способ контроля | Допуск |
|---|---|---|---|---|
| Остаточные напряжения после литья | Коробление 0.1-0.5 мм на длине 1000 мм | Деформация после снятия припуска, искривление длинных деталей | Естественное старение 2-3 месяца или искусственное при 450-500°C 5-8 часов | IT10-IT12 |
| Напряжения после термообработки | Изменение размеров 0.05-0.3 мм после закалки | Коробление, изменение формы при последующей обработке | Контрольное измерение после выдержки, отпуск при 150-200°C | IT9-IT11 |
| Напряжения в прокате | Искривление 0.05-0.2 мм на погонный метр после фрезерования паза | Растягивающие напряжения у поверхности, сжимающие внутри | Правка холодная или термическая стабилизация | IT10-IT13 |
| Напряжения после сварки | Деформации 0.5-3 мм в зоне шва | Усадка, коробление сварной конструкции, изменение размеров | Предварительная правка обратным изгибом, отжиг при 600-650°C | IT11-IT14 |
| Наклеп при холодной деформации | Пружинение 0.02-0.1 мм после снятия нагрузки | Возврат упругой деформации, изменение размеров деталей при штамповке | Учет упругого последействия в технологии, рекристаллизационный отжиг | IT9-IT12 |
Таблица 6. Погрешности установки и настройки
| Фактор | Влияние на размер | Как проявляется | Способ контроля | Допуск |
|---|---|---|---|---|
| Погрешность базирования | Несовпадение технологической и измерительной баз 10-100 мкм | Рассеяние размеров в партии, систематическое отклонение | Расчет размерных цепей, совмещение баз при конструировании | IT9-IT11 |
| Погрешность закрепления | Деформация заготовки 5-50 мкм при зажиме | Изменение формы после раскрепления, особенно у тонкостенных деталей | Ограничение силы зажима, равномерное распределение нагрузки | IT8-IT10 |
| Погрешность настройки станка | Отклонение настроечного размера 10-30 мкм | Систематическое смещение размеров всей партии | Настройка по пробным деталям, применение эталонов | IT7-IT9 |
| Погрешность установки инструмента | Неточность координат 15-50 мкм | Смещение обработанной поверхности относительно базы | Применение координатных систем на станках ЧПУ, пробные проходы | IT8-IT10 |
| Погрешность измерения | Инструментальная погрешность 3-20 мкм | Неправильная оценка действительного размера детали | Применение аттестованных средств измерения, многократные измерения | Должна быть в 3-5 раз меньше допуска детали |
Таблица 7. Режимы резания и качество заготовки
| Фактор | Влияние на размер | Как проявляется | Способ контроля | Допуск |
|---|---|---|---|---|
| Увеличенная скорость резания | Повышение температуры на 100-200°C, дополнительные деформации 20-50 мкм | Интенсивный износ инструмента, температурные деформации | Оптимизация режимов по стойкости инструмента, применение СОЖ | IT7-IT9 |
| Увеличенная подача | Рост силы резания на 30-50%, упругие деформации 15-40 мкм | Отжим инструмента и заготовки, вибрации системы | Выбор подачи с учетом жесткости системы, поэтапное снятие припуска | IT8-IT10 |
| Увеличенная глубина резания | Рост радиальной составляющей силы, деформации 20-80 мкм | Прогиб детали и инструмента, погрешность диаметральных размеров | Разделение на черновые и чистовые проходы с малой глубиной | IT8-IT11 |
| Неравномерность припуска | Колебание припуска 0.5-5 мм по окружности или длине | Переменная сила резания, вибрации, неравномерный износ | Применение заготовок с постоянным припуском, предварительная правка | IT10-IT12 |
| Твердые включения в материале | Выкрашивание инструмента, локальное отклонение размера 50-200 мкм | Сколы режущей кромки, царапины на обработанной поверхности | Входной контроль материала заготовки, ультразвуковой контроль | Выход за пределы допуска |
Содержание статьи
- Общие сведения о точности механической обработки
- Температурные факторы нестабильности размеров
- Износ режущего инструмента и его влияние
- Жесткость технологической системы и вибрации
- Геометрические погрешности станков
- Остаточные напряжения в материале заготовки
- Методы обеспечения стабильности размеров
Общие сведения о точности механической обработки
Точность механической обработки представляет собой степень соответствия геометрических параметров изготовленной детали требованиям конструкторской документации. Под нестабильностью размеров изделий понимается рассеяние размерных характеристик деталей в процессе их изготовления, которое может происходить как в пределах одной партии, так и между различными партиями обработки.
Согласно современным исследованиям в области технологии машиностроения, суммарная погрешность обработки складывается из множества первичных погрешностей, каждая из которых вносит свой вклад в общее отклонение размеров. Эти погрешности можно разделить на систематические, которые действуют постоянно в одном направлении, и случайные, изменяющиеся по величине и направлению.
Расчет суммарной погрешности обработки
Общая погрешность механической обработки определяется по формуле:
Δобщ = √(Δст² + Δи² + Δн² + Δу² + Δд² + Δт² + Δизн²)
где:
Δст - погрешность станка (5-30 мкм)
Δи - погрешность инструмента (3-15 мкм)
Δн - погрешность настройки (10-30 мкм)
Δу - погрешность установки (10-50 мкм)
Δд - погрешность от деформаций (20-100 мкм)
Δт - температурная погрешность (10-50 мкм)
Δизн - погрешность от износа (20-80 мкм)
Для достижения требуемой точности обработки необходимо обеспечить, чтобы суммарная погрешность не превышала поля допуска на обрабатываемый размер. Поле допуска назначается в соответствии с системой допусков и посадок по ГОСТ 25346-2013 и зависит от квалитета точности (IT5-IT14 для различных классов точности).
Температурные факторы нестабильности размеров
Температурные деформации элементов технологической системы являются одной из наиболее существенных причин нестабильности размеров обрабатываемых изделий. В процессе механической обработки выделяется значительное количество теплоты, которая распределяется между заготовкой, инструментом, стружкой и окружающей средой.
Температурные деформации станка
При работе металлорежущего станка происходит нагрев его узлов вследствие трения в подшипниках, зубчатых передачах и направляющих. Наиболее интенсивно нагревается передняя бабка токарного станка, где расположены главный привод и шпиндельный узел. Температурные деформации передней бабки приводят к смещению оси шпинделя, что непосредственно влияет на точность обрабатываемых размеров.
Практический пример
На токарном станке модели 16К20 при обработке партии стальных валов диаметром 50 мм было зафиксировано следующее изменение размеров в зависимости от времени работы:
- Первая деталь после прогрева (20 минут): диаметр 50.025 мм
- Детали после 1 часа работы: диаметр 50.015 мм
- Детали после 2 часов работы: диаметр 50.008 мм (стабилизация)
- Детали после 3-4 часов работы: диаметр 50.007-50.009 мм (устойчивое состояние)
Общее изменение размера составило 18 мкм, что необходимо учитывать при настройке станка и назначении допусков.
Нагрев режущего инструмента
Режущий инструмент в процессе резания нагревается до высоких температур. Температура на передней поверхности резца из быстрорежущей стали может достигать 700-800°C, для твердосплавных пластин - до 900-1000°C. Нагрев приводит к удлинению режущей части инструмента, что особенно критично при обработке на настроенных станках.
Расчет температурного удлинения резца
Удлинение резца вследствие нагрева рассчитывается по формуле:
ΔL = α × L × ΔT
где:
α - коэффициент линейного расширения стали (11-13 × 10⁻⁶ 1/°C)
L - длина нагреваемой части резца (мм)
ΔT - изменение температуры (°C)
Пример: для резца длиной 100 мм при нагреве на 400°C:
ΔL = 12 × 10⁻⁶ × 100 × 400 = 0.048 мм = 48 мкм
Температурные деформации заготовки
Нагрев заготовки в процессе резания зависит от её массы, теплофизических свойств материала и режимов обработки. Чем меньше масса заготовки, тем быстрее она нагревается и тем больше подвержена температурным деформациям. Особенно критичен нагрев при обработке тонкостенных деталей, где может происходить значительное коробление.
Износ режущего инструмента и его влияние
Размерный износ режущего инструмента представляет собой изменение его геометрических размеров в направлении, перпендикулярном обрабатываемой поверхности. При работе на настроенных станках размерный износ непосредственно переносится на обрабатываемые детали, вызывая систематическое изменение их размеров.
Периоды изнашивания инструмента
Процесс износа режущего инструмента можно разделить на три характерных периода:
Первый период - начальный (приработочный) износ: характеризуется интенсивным изнашиванием в первые 5-10 минут работы. Величина износа может составлять 10-20 мкм. Этот период связан с приработкой микронеровностей режущей кромки и стабилизацией температурных полей.
Второй период - нормальный износ: наступает после приработки и характеризуется относительно постоянной скоростью изнашивания. Зависимость размерного износа от пути резания носит практически линейный характер. Путь резания на этом участке может составлять 30-50 километров для резцов с твердосплавными пластинами при обработке стали.
Третий период - катастрофический износ: характеризуется резким ускорением процесса изнашивания, появлением выкрашиваний и сколов режущей кромки. Работа инструмента в этом периоде недопустима, так как приводит к браку деталей.
Расчет размерного износа инструмента
В зоне нормального износа размерный износ определяется по формуле:
U = U₀ × L
где:
U - размерный износ, мкм
U₀ - относительный (удельный) износ, мкм/км
L - путь резания, км
Для токарной обработки путь резания рассчитывается:
L = (π × D × l) / (1000 × S)
где:
D - диаметр обработки, мм
l - длина обработки, мм
S - подача на оборот, мм/об
Влияние факторов на интенсивность износа
Относительный износ инструмента зависит от множества технологических факторов. Основными из них являются: материал обрабатываемой заготовки и его твердость, материал режущего инструмента, геометрия режущей части, режимы резания, применение смазочно-охлаждающих жидкостей, жесткость технологической системы.
При обработке конструкционной стали твердостью 200 НВ твердосплавными резцами Т15К6 относительный износ составляет 3-5 мкм/км. При увеличении твердости обрабатываемого материала до 300 НВ относительный износ возрастает до 8-12 мкм/км. Применение современных твердых сплавов с покрытиями позволяет снизить относительный износ в 2-3 раза.
Жесткость технологической системы и вибрации
Жесткость технологической системы определяется как её способность противостоять деформациям под действием силы резания и других внешних нагрузок. Недостаточная жесткость является одной из основных причин возникновения погрешностей формы и размеров обрабатываемых деталей.
Понятие о жесткости системы
Жесткость технологической системы выражается отношением нормальной составляющей силы резания к упругому перемещению инструмента относительно заготовки в направлении этой силы. Величина, обратная жесткости, называется податливостью системы.
Формула жесткости системы
j = Py / y
где:
j - жесткость системы, Н/мкм
Py - нормальная составляющая силы резания, Н
y - упругое перемещение, мкм
Общая жесткость определяется из податливостей отдельных звеньев:
1/j = 1/jст + 1/jи + 1/jз + 1/jпр
где jст, jи, jз, jпр - жесткости станка, инструмента, заготовки и приспособления соответственно.
Влияние жесткости на точность обработки
При обработке на токарном станке вала диаметром 50 мм с переменным припуском недостаточная жесткость системы приводит к переменным упругим деформациям. В местах с большим припуском сила резания выше, упругие деформации больше, и диаметр вала получается увеличенным. На участках с меньшим припуском диаметр будет меньше, что приводит к возникновению бочкообразности или седлообразности.
Расчетный пример
При точении вала с жесткостью системы j = 100 Н/мкм радиальная составляющая силы резания изменяется от 400 Н до 600 Н вследствие неравномерности припуска. Погрешность диаметра составит:
Δd = 2 × (Py.max - Py.min) / j = 2 × (600 - 400) / 100 = 4 мкм
Для детали с допуском IT7 (25 мкм для диаметра 50 мм) эта погрешность составляет 16% от поля допуска.
Вибрации в технологической системе
Вибрации представляют собой колебательные движения элементов технологической системы, не предусмотренные кинематикой станка. Различают вынужденные вибрации, вызванные внешними периодическими силами, и автоколебания (самовозбуждающиеся вибрации), возникающие в самом процессе резания.
Вынужденные вибрации могут быть вызваны дисбалансом вращающихся частей станка, погрешностями зубчатых передач, биением заготовки, прерывистым характером резания. Частота вынужденных колебаний совпадает с частотой возмущающей силы. Особенно опасен резонанс, когда частота возмущения близка к собственной частоте колебаний системы.
Автоколебания возникают вследствие взаимодействия процесса резания с упругими деформациями системы. Амплитуда автоколебаний может достигать десятков микрометров, что приводит к волнистости обработанной поверхности и потере точности. Для предотвращения автоколебаний необходимо повышать жесткость системы, оптимизировать геометрию инструмента и режимы резания, применять антивибрационные резцы с демпфирующими элементами.
Геометрические погрешности станков
Геометрическая точность станка характеризует соответствие взаимного расположения его основных узлов и элементов требованиям, установленным нормативными документами. Погрешности геометрической точности станка полностью или частично переносятся на обрабатываемые детали в виде систематических погрешностей формы и взаимного расположения поверхностей.
Классификация станков по точности
В соответствии с действующими стандартами металлорежущие станки подразделяются на пять классов точности: Н - нормальной точности, П - повышенной точности, В - высокой точности, А - особо высокой точности, С - особо точные мастер-станки. Для станков класса точности П допуски уменьшаются примерно в 1.6 раза по сравнению со станками класса Н, для класса В - в 2.5 раза, для класса А - в 4 раза.
Основные виды геометрических погрешностей
Погрешности формы базовых поверхностей: отклонения от плоскостности направляющих станины, непрямолинейность направляющих суппорта, неплоскостность поверхности стола фрезерного станка. Эти погрешности приводят к искажению траектории движения рабочих органов станка.
Погрешности взаимного расположения: непараллельность или неперпендикулярность осей и направляющих, несоосность шпинделей передней и задней бабок токарного станка. Например, отклонение от параллельности оси шпинделя токарного станка направлению движения суппорта приводит к конусности обрабатываемых валов.
Радиальное и осевое биение шпинделя: биение шпинделя относительно его оси вращения вызывает отклонения от круглости обрабатываемой поверхности. Для токарных станков нормальной точности радиальное биение на расстоянии 300 мм от торца шпинделя не должно превышать 8 мкм.
Методы контроля геометрической точности
Проверка геометрической точности станков осуществляется в соответствии с ГОСТ Р ИСО 230-1 и специальными стандартами на нормы точности для каждого типа станков. Для контроля применяются поверочные линейки, уровни, индикаторы часового типа, контрольные оправки, оптические приборы.
Периодичность проверок устанавливается в зависимости от интенсивности эксплуатации станка и требований технологического процесса. Для станков, работающих в две-три смены, рекомендуется проводить проверку основных параметров точности не реже одного раза в год. Для прецизионных станков классов точности А и С периодичность проверок должна быть увеличена до двух-четырех раз в год.
Остаточные напряжения в материале заготовки
Остаточные (внутренние) напряжения представляют собой напряжения, существующие в материале детали после прекращения действия внешних силовых или тепловых воздействий. Эти напряжения возникают в процессе изготовления заготовки и могут оказывать существенное влияние на точность обработки и эксплуатационные характеристики готовых изделий.
Причины возникновения остаточных напряжений
Литейные напряжения образуются вследствие неравномерного охлаждения отдельных частей отливки различного сечения. Толстостенные части остывают медленнее тонкостенных, что приводит к возникновению внутренних напряжений. Особенно значительны остаточные напряжения в крупных отливках сложной конфигурации, например, в блоках цилиндров двигателей, станинах станков.
Напряжения после пластического деформирования возникают при прокатке, ковке, штамповке заготовок. При прокатке прутков наружные слои деформируются сильнее, чем внутренние, что приводит к появлению растягивающих напряжений на поверхности и сжимающих в сердцевине. При последующей механической обработке, например, при фрезеровании шпоночного паза на валу из проката, происходит перераспределение напряжений и искривление вала.
Термические напряжения являются результатом термической обработки заготовок - закалки, нормализации, отжига. При закалке поверхностные слои охлаждаются быстрее сердцевины, что вызывает неравномерное изменение объема и возникновение напряжений. Сплошная закалка вызывает большие деформации, чем поверхностная закалка с нагревом токами высокой частоты.
Сварочные напряжения образуются при сварке деталей вследствие местного нагрева и последующего охлаждения металла в зоне шва. Величина сварочных деформаций может достигать нескольких миллиметров, что требует применения специальных технологических приемов для их компенсации.
Влияние остаточных напряжений на точность обработки
В процессе механической обработки при снятии поверхностных слоев металла происходит нарушение равновесия внутренних напряжений. Оставшаяся часть материала стремится достичь нового равновесного состояния, что сопровождается деформацией детали. Особенно это проявляется при обработке нежестких деталей - длинных валов, тонкостенных гильз, корпусов.
Практический случай
При обработке вала диаметром 100 мм и длиной 1000 мм из проката после токарной обработки и подрезки торцов деталь выдерживалась в свободном состоянии в течение суток. После выдержки был произведен контроль прямолинейности оси, который показал стреловидный прогиб 0.3 мм. Этот прогиб явился результатом перераспределения остаточных напряжений после удаления поверхностных слоев металла.
Методы снижения влияния остаточных напряжений
Естественное старение заключается в выдержке заготовок в течение длительного времени (от нескольких недель до нескольких месяцев) в естественных условиях. За это время происходит релаксация напряжений за счет микропластических деформаций. Метод применяется для ответственных деталей прецизионных механизмов, измерительных инструментов.
Искусственное старение представляет собой нагрев заготовок до температуры 450-650 градусов Цельсия с последующей выдержкой в течение нескольких часов и медленным охлаждением. При нагреве повышается пластичность материала, что способствует снятию внутренних напряжений. Время термообработки сокращается до нескольких часов по сравнению с месяцами естественного старения.
Предварительная обработка применяется для деталей из проката и поковок. Суть метода заключается в предварительном снятии поверхностных слоев металла с последующей выдержкой перед окончательной обработкой. Это позволяет основным деформациям от перераспределения напряжений произойти до чистовых операций.
Методы обеспечения стабильности размеров
Для обеспечения требуемой точности и стабильности размеров изделий в серийном и массовом производстве применяется комплекс технологических мероприятий, направленных на уменьшение влияния выявленных факторов нестабильности.
Методы достижения точности при обработке
Метод пробных проходов и промеров заключается в том, что обработка каждой детали производится с периодическим контролем получаемых размеров и корректировкой положения инструмента. Метод обеспечивает высокую точность, но требует высокой квалификации рабочего и применяется в единичном и мелкосерийном производстве.
Метод автоматического получения размеров основан на предварительной настройке станка на обработку заданного размера с последующей обработкой всей партии деталей без дополнительных измерений. Точность обработки зависит от точности настройки и стабильности размеров в течение всего периода обработки партии. Метод применяется в серийном и массовом производстве.
Метод автоматического управления реализуется на станках с ЧПУ и обрабатывающих центрах с применением систем активного контроля размеров в процессе обработки. Датчики контроля размеров позволяют автоматически корректировать траекторию инструмента и компенсировать систематические погрешности.
Технологические приемы повышения точности
Разделение обработки на черновые и чистовые операции позволяет основным тепловым деформациям и перераспределению внутренних напряжений произойти на черновых операциях. Чистовая обработка производится при стабилизированном состоянии детали с минимальными силами резания.
Применение технологических баз совмещенных с конструкторскими снижает погрешность базирования и обеспечивает более высокую точность взаимного расположения поверхностей. При невозможности совмещения баз применяют принцип постоянства баз.
Повышение жесткости технологической системы достигается применением специальных приспособлений (люнетов, поддерживающих устройств), оптимизацией конструкции режущего инструмента, использованием станков более высокого класса точности, выбором рациональных схем базирования и закрепления заготовок.
Температурная стабилизация включает прогрев станка перед началом обработки ответственных деталей, кондиционирование производственных помещений, применение систем термокомпенсации на станках с ЧПУ, использование смазочно-охлаждающих жидкостей для стабилизации теплового режима резания.
Назначение припусков с учетом погрешностей
Минимальный припуск на механическую обработку должен учитывать суммарные отклонения предшествующей операции:
Zmin = Rz + h + √(ε² + ρ²)
где:
Rz - высота микронеровностей, мкм
h - глубина дефектного слоя, мкм
ε - суммарное отклонение расположения, мкм
ρ - погрешность установки заготовки, мкм
Статистическое регулирование процесса основано на периодическом контроле размеров обрабатываемых деталей и построении контрольных карт. При выходе размеров за предупредительные границы производится поднастройка оборудования, что позволяет предупредить появление брака.
Часто задаваемые вопросы
Это явление связано с температурными деформациями элементов станка в период его прогрева. При включении станка узлы трения (подшипники, направляющие, передачи) начинают нагреваться, что приводит к тепловому расширению и изменению геометрических параметров. Особенно значительно нагревается передняя бабка токарного станка, где расположен главный привод.
Для стабилизации теплового режима рекомендуется перед обработкой ответственных деталей производить прогрев станка в течение 20-30 минут на холостом ходу или при обработке пробных заготовок. Температурное равновесие обычно достигается через 1.5-2 часа непрерывной работы, после чего размеры обрабатываемых деталей стабилизируются.
Замену режущего инструмента следует производить до достижения критического износа, который характеризуется резким ухудшением качества обработки. Существует несколько критериев определения предельного износа:
По величине фаски износа по задней поверхности: для чистового точения стали твердосплавными резцами предельная фаска износа составляет 0.3-0.4 мм, для чернового точения - 0.6-0.8 мм.
По изменению размеров обрабатываемых деталей: при обработке на настроенных станках ведется выборочный контроль размеров. Когда размер приближается к границе поля допуска, производится поднастройка или замена инструмента.
По стойкости инструмента: период стойкости - это время работы инструмента до достижения критерия затупления. Для твердосплавных резцов при черновой обработке стойкость составляет 45-90 минут, при чистовой - 90-120 минут.
Изменение размеров детали после обработки связано с перераспределением внутренних (остаточных) напряжений в материале. Эти напряжения могут возникать на различных стадиях изготовления заготовки: при литье, ковке, прокатке, термической обработке, сварке.
В процессе механической обработки при удалении поверхностных слоев металла нарушается равновесие внутренних напряжений. Оставшаяся часть материала деформируется, стремясь достичь нового равновесного состояния. Эти деформации могут проявляться как сразу после обработки, так и в течение длительного времени - от нескольких дней до нескольких месяцев.
Для снижения влияния остаточных напряжений применяют: естественное или искусственное старение заготовок перед окончательной обработкой, разделение обработки на черновую и чистовую с промежуточной выдержкой, термическую обработку (отжиг) для снятия напряжений.
Скорость резания оказывает комплексное влияние на точность обработки через несколько механизмов:
Температурные деформации: с увеличением скорости резания возрастает температура в зоне резания, что приводит к большему нагреву инструмента и заготовки. Температурное удлинение резца и тепловое расширение заготовки вызывают изменение обрабатываемых размеров.
Износ инструмента: при повышенных скоростях резания интенсивность износа режущего инструмента возрастает. Если износ происходит в зоне нормального изнашивания, его интенсивность пропорциональна скорости. При чрезмерно высоких скоростях возможен переход к катастрофическому износу.
Вибрации: на определенных скоростях резания могут возникать резонансные явления, когда частота возмущающих сил совпадает с собственной частотой колебаний элементов технологической системы. Это приводит к вибрациям и снижению точности.
Оптимальная скорость резания выбирается на основе компромисса между производительностью и точностью обработки с учетом стойкости инструмента.
Жесткость технологической системы - это её способность противостоять деформациям под действием силы резания. Она определяется как отношение силы резания к упругому перемещению инструмента относительно заготовки. Недостаточная жесткость приводит к погрешностям формы и размеров обрабатываемых деталей.
Методы повышения жесткости:
Конструктивные меры: использование массивных станин и направляющих, увеличение сечений несущих элементов, применение предварительного натяга в направляющих, использование гидростатических и аэростатических направляющих.
Технологические меры: уменьшение вылета инструмента (для резцов рекомендуется вылет не более 1.5 высоты державки), применение дополнительных опор (люнетов) для нежестких деталей, закрепление заготовки в нескольких точках, оптимизация режимов резания для снижения силы резания.
Повышение контактной жесткости стыков: точная обработка сопрягаемых поверхностей, применение шабрения или шлифования, использование специальных смазок, создание предварительного натяга в стыках.
Допуски на детали назначаются исходя из требований к точности сборочной единицы с учетом метода достижения точности при сборке. Основные принципы назначения допусков:
Метод полной взаимозаменяемости: допуски на детали назначаются таким образом, чтобы при любом сочетании деталей в допустимых пределах обеспечивались требования к сборочной единице. Сумма допусков деталей не должна превышать допуск замыкающего звена размерной цепи.
Метод неполной взаимозаменяемости: допускается, что небольшой процент сборок (3-5%) может не удовлетворять требованиям. Это позволяет назначить более широкие допуски на детали (примерно в 1.3-1.5 раза по сравнению с полной взаимозаменяемостью).
Общие рекомендации: для сопрягаемых размеров назначают квалитеты IT6-IT9, для свободных размеров - IT11-IT14. Для высокоточных посадок (подшипники качения, шпиндельные узлы) применяют квалитеты IT5-IT6. Допуски на размеры приспособлений принимают в 2-3 раза меньше допусков на обрабатываемые детали.
Вибрации в процессе механической обработки возникают по двум основным причинам: вынужденные колебания от внешних источников и самовозбуждающиеся колебания (автоколебания), порождаемые самим процессом резания.
Причины вынужденных вибраций: дисбаланс вращающихся частей станка или заготовки, погрешности зубчатых передач и подшипников, биение заготовки или патрона, прерывистый характер резания (например, при фрезеровании).
Причины автоколебаний: недостаточная жесткость технологической системы, неблагоприятная геометрия режущего инструмента, накопление тепла в зоне резания, образование нароста на режущей кромке.
Методы борьбы с вибрациями: повышение жесткости системы (уменьшение вылета инструмента, применение люнетов), изменение режимов резания (часто помогает изменение скорости резания на 15-20%), применение антивибрационных резцов с демпфирующими элементами, оптимизация геометрии инструмента (увеличение главного угла в плане, применение режущей кромки с переменным шагом), балансировка вращающихся частей, устранение зазоров в направляющих и передачах станка.
Выбор класса точности станка определяется требованиями к точности изготавливаемых деталей и экономическими соображениями. Существует правило: точность станка должна быть выше точности обрабатываемых деталей примерно в 1.5-2 раза.
Станки нормальной точности (класс Н): применяются для обработки деталей по квалитетам IT10-IT12 в условиях серийного и массового производства. Подходят для изготовления большинства деталей общемашиностроительного назначения - корпусных деталей, валов, зубчатых колес средней точности.
Станки повышенной точности (класс П): используются для обработки деталей по квалитетам IT8-IT9. Применяются для изготовления деталей автомобилей, тракторов, станков, требующих повышенной точности размеров и формы.
Станки высокой точности (класс В): обеспечивают обработку по квалитетам IT6-IT7. Используются в инструментальном производстве, для изготовления прецизионных деталей измерительных приборов, подшипников качения.
Станки особо высокой точности (классы А и С): применяются для особо точных работ (IT5 и выше) - изготовления эталонных калибров, мер длины, шаблонов, деталей координатно-измерительных машин. Требуют специальных условий эксплуатации с регулированием температуры и влажности.
Смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ) выполняют несколько важных функций, непосредственно влияющих на точность обработки:
Охлаждение: отвод тепла из зоны резания снижает температурные деформации инструмента, заготовки и станка. Применение СОЖ позволяет снизить температуру резания на 100-200 градусов, что существенно уменьшает температурные погрешности.
Смазывание: уменьшение трения между инструментом и обрабатываемым материалом снижает силу резания на 10-30%, что уменьшает упругие деформации системы. Смазывающее действие также предотвращает образование нароста на режущей кромке.
Снижение износа инструмента: применение СОЖ увеличивает период стойкости инструмента в 1.5-3 раза, что обеспечивает более стабильные размеры обрабатываемых деталей в течение всего периода между переточками.
Виды СОЖ: водные эмульсии (5-15% масла) - для охлаждения при высоких скоростях резания, масляные СОЖ - для смазывания при низких скоростях и тяжелых условиях обработки, синтетические СОЖ - обладают хорошими охлаждающими и антикоррозионными свойствами.
В условиях серийного и массового производства применяется система статистического контроля качества, которая позволяет обеспечить требуемую точность при минимальных затратах на контрольные операции.
Выборочный контроль: вместо сплошного контроля всех деталей проверяется выборка определенного объема. Размер выборки зависит от объема партии и требуемого уровня качества. Для партий 100-500 деталей выборка составляет 8-20 штук.
Контрольные карты: ведется график изменения контролируемого размера во времени. На карту наносятся контрольные границы (обычно ±3σ от номинального значения, где σ - среднеквадратическое отклонение). Выход размеров за предупредительные границы (±2σ) является сигналом к поднастройке оборудования.
Периодичность контроля: первые 3-5 деталей после настройки контролируются сплошным методом, затем переходят к выборочному контролю. Периодичность отбора проб: каждые 30-60 минут работы или каждые 20-50 деталей в зависимости от стабильности процесса.
Средства контроля: для операционного контроля применяют предельные калибры (скобы, пробки), шаблоны, что обеспечивает высокую производительность контроля. Для более точных измерений используют микрометры, индикаторные приборы, координатно-измерительные машины.
