книги / Технология инструментального производства

Рис. 1. Схемы отклонения от геометрической формы изделий

Величина отклонений должна находиться в пределах допусков на неточность изготовления изделий. Она зависит от способа обра­ ботки заготовок на операциях и от эксплуатационных характери­ стик изделий. Допуски на неточность изготовления взаимно сопря­ женных деталей обеспечивают их взаимозаменяемость. Сборка сложных многодетальных инструментов (резьбонарезных головок, сборных инструментов) в серийном производстве немыслима без взаимозаменяемости деталей. Однако в условиях единичного произ­ водства при сборке в большинстве случаев детали подгоняют по месту.

Основными причинами, обусловливающими возникновение по­ грешностей обработки, являются следующие.

1. Неточности станка и его износ. Детали станков изготовляют с неизбежными отклонениями, в результате абсолютная точность работы станка, его движений невозможна. Например, для токарнозатыловочных станков с высотой центров до 300 мм и расстоянием между центрами до 1000 мм допускают следующие отклонения: радиальное биение центрирующейшейки шпинделя передней бабки в любом направлении должно быть не более 0,01 мм; радиальное биение конического отверстия шпинделя передней бабки у конца его должно быть не более 0,01 мм, а на расстоянии 300 мм от конца шпин­ деля при проверке на цилиндрической оправке — не более 0,02 мм; параллельность направления движения салазок суппорта относи­ тельно шпинделя передней бабки на 100 мм длины должна быть не более 0,02 мм и т. д. Износ деталей станка понижает точность его работы. Упругие деформации отдельных деталей станка, появля­ ющиеся вследствие действия сил резания при механической обра­ ботке, приводят к снижению точности обработки. Она снижается также при вибрациях станка, возникающих вследствие несбаланси­ рованности отдельных быстровращающихся его деталей.

2. Неточности изготовления, установки и износ режущего ин­ струмента. Величина погрешностей во многом зависит от методов

И

обработки. К этим погрешностям в пределах заданных допусков относятся: отклонения диаметра рабочей части цилиндрического инструмента; отклонения профиля у резьбонарезного и зуборезного инструмента; радиальное и осевое биение режущих кромок на рабо­ чей части инструментов. На неточность обрабатываемых заготовок влияют также погрешности при установке режущих инструментов во втулках, патронах, державках и прочих приспособлениях вслед­ ствие изготовления последних с некоторыми отклонениями от но­ минальных размеров. Кроме того, на точность обработки влияет износ режущего инструмента. Он выражается в истирании режущей кромки в процессе резания, которое влияет на изменение размеров заготовок во время их обработки. Так, если измерить изделие после протачивания по наружной поверхности сразу же после установки нового резца, а затем измерить пятидесятое изделие, то можно убе­ диться, что диаметр последнего будет больше, чем первого. Это уве­ личение диаметра произошло в результате износа режущей кромки резца и его отжима вследствие увеличения радиальных сил резания. То же можно сказать и относительно влияния износа шлифовального круга.

На величину и темп износа режущего инструмента влияют сле­ дующие факторы: материал обрабатываемой заготовки; тип, кон­ струкция, размеры, материал и термическая обработка режущего инструмента; методы окончательной обработки режущих кромок;

режимы	резания; охлаждение			и	т. д.
3.	Жесткость	системы		«станок—приспособление—инструмент—
деталь» (СПИД). При механической обработке возникают силы
резания, воспринимаемые узлами					станка,	приспособлением, обра­
батываемой деталью		и	инструментом. Величина сил резания при
черновой	обработке	значительно больше,				чем при	чистовой. Силы
резания	вызывают упругие деформации в системе СПИД в нап­
равлении	действия	сил.	Понятие		жесткости системы СПИД свя­
зано с ее способностью оказывать					сопротивление		силам, стремя­

щимся деформировать детали и узлы этой системы. В процессе обработки силу резания Р мы можем разложить в системе координат (трех взаимно перпендикулярных плоскостей) на три составляющих силы резания Рх, Ру и Р2.

Жесткостью упругой системы СПИД называется отношение составляющей силы резания Ру к смещению у кромки инструмента относительно обрабатываемой заготовки в направлении действия этой силы:

] — — кгс/мм (Н/мм).	(2)
У

Упругие деформации в системе СПИД изменяют взаимное распо­ ложение режущего инструмента и обрабатываемой заготовки и вызывают погрешности в их формах и размерах. Погрешности от упругих деформаций достигают 80% всех погрешностей.

В результате возникающих упругих деформаций на обработан­ ной поверхности копируется форма исходной заготовки. Например, после обтачивания эксцентрично зацентрованной заготовки на то-

12

г)

Рис. 2. Искажение формы обработанных поверхностей заготовок, вызываемые непо­ стоянством жесткости системы СПИД

карном станке (рис. 2, а) изделие также будет иметь эксцентриситет (в меньшей степени, чем на исходной заготовке), равно как и при шлифовании эксцентричной заготовки на круглощлифовальном станке (рис. 2, б). Это объясняется неравномерным припуском, вы­ зывающим переменные силы резания, а следовательно, и перемен­ ную жесткость. При шлифовании в центрах заготовки с неравномер­ ным припуском форма ее также искажается. В зонах входа и выхода инструмента форма заготовки искажается в результате сил отжа­ тая инструмента от этой заготовки; это наблюдается почта на всех станках (рис. -2, в).

Жесткость системы СПИД непостоянна и зависит от жесткости отдельных элементов системы и узлов станка. Тонкие валы после обработки их на токарных станках без люнетов получаются бочко­ образными (рис. 2, г) вследствие больших прогибов в средней части, чем по концам. При растачивании отверстия резцом, закрепленным в консольной оправке, отверстие имеет коническую (рис. 2, д) или параболическую (показано штриховой линией) форму..

Небольшие деформации, вызываемые недостаточной жесткостью отдельных узлов станка, возникают в подвижных соединениях де­ талей станка. Жесткость в местах соединения отдельных деталей станка или приспособления называют контактной. В значительной степени она зависит от качества обработки и сборки деталей узла станка или приспособления. Повышение контактной жесткости узлов

достигается соответствующим	натягом сопряженных деталей. Так,
в неподвижных соединениях	натяг равен 15 кгс/см2 (150 Н/см2),

в подвижных соединениях его ограничивают величиной 1—2 кгс/см2 (10—20 Н/см2).

Из примера, показанного на рис. 2, б, видно, что круглое шлифо­ вание эксцентричной заготовки не исключает (хотя и уменьшает) эксцентричность. Отчего же это происходит? Цилиндрическая заго­ товка вращается относительно неподвижных центров. Шпиндель шлифовальной бабки вращается в подшипниках. Следовательно, в этом подвижном соединении имеются незначительные зазоры, которые обусловливают появление контактной жесткости. При шлифовании заготовок с неравномерным припуском у х и у 2 вслед-

121

ствие неравномерного сечения стружки возникают неравномерные силы резания, в результате чего шпиндель шлифовального круга будет отжиматься от заготовки, сдвинется со своего нормального положения и займет какое-то другое положение за счет имеющихся зазоров между шпинделем и отверстием подшипника. При этом установку заготовки в центрах передней и задней бабок рассматри­ ваем как абсолютно жесткую.

Для устранения влияния действия контактной жесткости в шпин­ деле шлифовальной бабки применяется выхаживание. Выхаживание осуществляется применением многих рабочих ходов без сообщения шлифовальному кругу поперечной подачи. В процессе выхажива­ ния шпиндель шлифовального круга стремится постепенно занять свое нормальное положение и снимает с обрабатываемой заготовки весьма незначительные сечения стружки. Наконец, наступает такой момент, когдашлифовальный круг не снимает никакой стружки, и вся система как бы приходит в равновесие.

Жесткость токарного станка определяется жесткостью его основ­ ных узлов — шпинделя, суппорта и задней бабки. Жесткость шпин­ дельного узла с высотой центров 200—250 мм составляет в среднем 7000—9000 кгс/мм (70—90 кН/мм). Суппорты станков после хорошей пригонки деталей имеют жесткость 5000—7000 кгс/мм (50—70 кН/мм). Задние бабки при вылете пиноли до 40—60 мм имеют жесткость 8000—10 000 кгс/мм (80—100 кН/мм); при увеличении вылета пиноли до 100 мм жесткость задней бабки снижается в 2 раза. Суммар­ ная жесткость станка с высотой центров 200 мм с учетом «сполза­ ния» заготовки с центров (вследствие их деформации, но без учета прогиба заготовки при нагружении в среднем положении может быть доведена до 2000 кгс/мм (20 кН/мм). Суммарная жесткость токарных станков с высотой центров до 200 мм колеблется в пределах 1500— 5000 кгс/мм (15—50 кН/мм).

4. Деформации обрабатываемой заготовки. Остаточные и упругие деформации, происходящие в заготовках при обработке на станках, искажают их форму и приводят к неточности размеров.

Остаточные деформации в заготовках появляются под влиянием: внутренних напряжений в поковках и литье вследствие неравномер­ ного их остывания и резких переходов от тонкостенных к толсто­ стенным частям; внутренних напряжений в поковках, возникающих во время их термической обработки и неравномерного остывания; наклепа при обработке резанием. После обработки изменяются вну­ тренние напряжения и заготовка деформируется. Если не принять мер к своевременному снятию внутренних напряжений, заготовка по истечении некоторого времени изменит свои размеры. Какие же меры применяются для этого? Снятие внутренних напряжений до­ стигается естественным и искусственным старением.

Естественное старение заключается в том, что заготовки дли­ тельное время выдерживают в естественных условиях обычно на складах, где они подвергаются действию холода и жары. Длитель­ ность старения — от трех месяцев до двух лет, в зависимости от тех­ нических требований. Такому старению подвергаются станины стан­

14

ков и приборов, чугунные летали суппортной группы и детали приборов.

Для ускорения процессов снятия внутренних напряжений при­ меняют искусственное старение. При этом заготовку нагревают до определенной температуры, выдерживают и затем постепенно охла­ ждают. Такой обработке подвергают небольшие станины станков, короткие ходовые винты для токарно-затыловочных станков (после чернового нарезания резьбы), калибры и шаблоны после терми­ ческой обработки, или между операциями окончательного шлифова­ ния и доводки или до окончательного шлифования. Одним из таких способов является нагрев калибров в масляной ванне или электро­ шкафу до 120° О с выдержкой в пределах 20—30 ч.

При обработке исходных заготовок, особенно на первых опе­ рациях технологического процесса, когда снимается большая ве­ личина припуска (1,5—2,5 мм на сторону), жесткость заготовки имеет большое значение. При недостаточной жесткости эта заго­ товка прогибается и размеры на обработанной поверхности полу­ чаются неточными. Считается, что если отношение длины Ь заготовки к диаметру й больше 12, то она недостаточно жесткая и ее трудно обрабатывать. В этих случаях применяют дополнительные устрой­ ства или изменяют технологию: обтачивают и шлифуют с примене­ нием люнетов; обтачивают резцами, диаметрально расположенными относительно друг друга; снижают режимы резания; обтачивают с установкой заготовки не в центрах станка, а путем поддерживания одного конца в патроне, а другого конца — центром задней бабки.

5. Колебания припуска на исходных заготовках. Общий при­ пуск в исходной заготовке в любом ее сечении располагается не­ равномерно относительно контуров изделия. Эта неравномерность обусловливается отклонением сечения круглой заготовки от гео­ метрической формы вследствие овальности, полученной в прутках при прокатке их на металлургических заводах; смещением оси цен­ тровых отверстий в заготовке при центровании; отклонением гео­ метрических форм квадратных, прямоугольных и иных от параллель­ ности сторон, прямолинейности плоскостей и т. д.

6.Колебания твердости металла. Твердость металла в разных местах по длине кованого, горячекатаного, холоднотянутого и холод­ нотянутого шлифованного (серебрянка) прутков колеблется при изготовлении их в нормальных производственных условиях весьма незначительно. Неравномерная твердость получается в процессе отжига прутков вследствие неодинаковой температуры в разных местах камеры печи. Неравномерная твердость обусловливает пе­ ременные силы резания в процессе обработки, вызывающие неоди­ наковое отжатие заготовки в системе СПИД.

7.Неточности установки заготовок и неравномерный зажим их

вприспособлениях. Детали приспособления, даже при тщательном их изготовлении, имеют неизбежные погрешности в пределах до­ пусков на неточность изготовления. В результате этого после сборки

вприспособлениях возникают неточности в движениях отдельных деталей и узлов, в работе зажимных элементов и т. д.

15

Упругие Деформации, возникающие в отдельных деталях при­ способлений под действием больших зажимных сил и под влиянием сил резания, также снижают точность обработки. Для уменьшения влияния упругих деформаций отдельных деталей приспособлений рекомендуется эти детали изготовлять массивными и жесткими.

Для уменьшения погрешностей заготовок из-за неточности или износа деталей приспособлений необходимо своевременно их за­ менять, периодически проверять приспособления. Надо иметь в виду, что при зажиме заготовок в приспособлениях путем приложения физической силы рабочего, сила зажима непостоянна и, следова­ тельно, жесткость системы будет также непостоянной. Сила зажима будет также колебаться и в пневмоприводах из-за неизбежного колебания давления воздуха в сети. Меньшие колебания давления испытывают гидроприводы.

Экономическая точность обработки. Перечисленные выше фак­ торы, влияющие на точность изготовления заготовок на металло­ режущих станках, обусловливают получение этих заготовок с погреш­ ностями. При выборе методов обработки на металлорежущих стан­ ках необходимо стремиться к достижению экономической точности. Продолжительность обработки является основным фактором, влия­ ющим на экономику производства. Поэтому для изготовления за­ готовки выбирают такие методы обработки, которые могли бы обес­ печить получение необходимой точности при наименьшей ее про­ должительности. Такую точность называет экономической.

Экономическая точность обработки характеризуется средними отклонениями обрабатываемой заготовки от номинальных размеров при работе на металлорежущих станках в нормальных производ­ ственных условиях. Например, при обтачивании вала на токарном станке наружный диаметр его будет выдержан с определенной для данного станка точностью, а при шлифовании этого же вала на круглошлифовальном станке диаметр его будет выдержан с другой точностью, более высокой.

В табл. 1 приведены средние экономические точности обработки, составленные по данным ряда заводов. Приведенные в этой таблице данные следует рассматривать как средние значения, которые до­ стижимы на практике в нормальных производственных условиях, т. е. при правильно выбранном оборудовании, приспособлении и инструменте, при работе на исправном станке и приспособлении. Квалификация рабочего должна удовлетворять предъявляемым ус­ ловиям обработки.

На практике возможны и даже иногда неизбежны отклонения от средних значений экономической точности обработки. Эти отклоне­ ния будут зависеть от условий обработки, станка, приспособления

иинструмента. Приведенные в табл. 1 данные относятся к обработке на станках общего назначения. К специальным станкам, автоматам

иполуавтоматам эти данные применить нельзя, так как в отдельных случаях может быть достигнута большая точность обработки.

Статистические методы определения точности обработки Эко­ номическая точность обработки, как результат производственного

16

Таблица 1

Экономическая точность обработки цилиндрических поверхностей

Вид обработки	Класс	ост	Вид обработки	Класс	ост
	точности	нкм		точности	НКМ

Обтачивание:
черновое . . . .	Св“	В&	1015
чистовое . . .	с4 =	в 4	1014
Шлифование круг­
лое:
чистовое . . .	от		1013
	Сз — Вз		1012
•	ДО	В
	с =
тонкое ................	С1 - В	1	1041
Сверление:
без кондуктора	А*		1015
с кондуктором	а4		1014

Растачивание:

черновое . . . .

чистовое

. . •

Зенкерование

Развертывание:

одной разверт-

к о й ................

двумя разверт­ ками . . . .

Шлифование:

Аб	1015
а4	1014
а 4	1014
Аз	1013

А1012

чистовое	. . .	А	1012
гонкое ................		Ах	1041
Протягивание . . .		' А	1012

опыта, не дает полного представления о фактической точности, возможной при изготовлении данной заготовки выбранным методом, так как она зависит от реальных условий обработки, станка, при­ способления и инструмента.

В процессе механической обработки заготовка подвергается воз­ действию большого количества систематических и случайных явле­ ний, каждое из которых оказывает влияние на течение процесса в целом. В большинстве случаев влияние систематических явлений может быть учтено или устранено. Учесть влияние случайных явлений и даже простое перечисление их практически невоз­ можно.

Для нахождения численных закономерностей массовых случай­ ных явлений применяют математический метод исследования. При рассмотрении небольшого числа случайных явлений установить ка­ кую-либо математическую закономерность невозможно. Для изуче­ ния закономерностей количественного и качественного характера в массовых явлениях применяют статистические методы, основанные на законах больших чисел и установленные в курсах «Теория ве­ роятностей» и «Математическая статистика» 15].

Погрешности, возникающие в процессе обработки заготовок, разделяются на систематические и случайные.

К систематическим погрешностям относят такие, которые имеют определенный, закономерный характер. Они могут возникнуть вслед­ ствие износа направляющих станины, рабочей части режущего инструмента, направляющих втулок в приспособлении, шпинделя станка и других причин. В большинстве случаев влияние система-

17

/77 шт	/77 шт
	60
	60	777	у .
	20	1
			1
Щ 1*5 50 55 60 65 70 75 80 85мм	Щ	т т ;	2 2
		45 50 55 60	65 70 75 80 85мм
й)		б)

Рис. 3. Распределение диаметров круглой плашки после обтачивания

тических погрешностей может быть устранено. Так, износ станины может быть устранен своевременным шабрением ее направляющих, затупившийся режущий инструмент — заменен заточенным, изно­ шенная направляющая втулка — заменена новой.

К случайным относятся погрешности, которые заранее преду­ смотреть невозможно. Они могут появиться, когда заготовки имеют неравномерный припуск или твердость в исходном состоянии не одинакова, когда зажим заготовок в патроне неравномерен, когда жесткость станка недостаточна и т. д. Иногда можно устранить случайные причины или уменьшить их влияние проведением допол­ нительных технологических мероприятий, обеспечивающих полу­ чение заготовок со строго установленными припусками и твердостью в узких пределах, использованием пневматических и гидравличе­ ских патронов, приспособлений, которые позволяют держать силы зажима в узких пределах.

Случайные погрешности при обработке обладают следующими свойствами [5]: чем меньше по абсолютной величине погрешность, тем чаще она встречается в процессе обработки; одинаковые по. абсолютной величине, но противоположные по знаку («+» или «—») случайные погрешности обычно одинаково возможны и поэтому встречаются одинаково часто. Распределение исследуемого пара­ метра изделия при наличии только случайных погрешностей будет симметричным относительно центра группирования. При наличии же систематических погрешностей центр группирования будет сме­ щен и такое распределение может оказаться асимметричным.

В результате действия систематических и случайный погреш­ ностей' при обработке заготовок на металлорежущих станках их действительные размеры носят переменный характер, т. е. получается так называемое рассеяние размеров. Рассеяние какого-либо при­ знака (параметра) может быть изображено в виде полигона, гисто­ граммы (или других графических предстарлений) и такая кривая называется кривой распределения.

На рис. 3 показаны графики эмпирического распределения раз­ меров при обработке партии круглых плашек Мб х1 (ГОСТ 9740—71) в виде полигона распределения (рис. 3, а) и гистограммы распреде-

18

Таблица 2

Эмпирическое распределение наружных диаметров круглой плашки после обтачивания

	Абсолют­		Относитель­		Абсолют­	Относитель­
Диаметр в мм	ная			Диаметр в мм	ная
	частота		ная частота		частота	ная частота
	т		ю		т
19,846— 19,850	2	,	0,0106	19,871— 19,875	16	0,0841
19,851— 19,855	14		0,0736	19,876— 19,880	3	0,0158
19,856— 19,860	44		0,2322	19,881— 19,885	1	0,0053
19,861— 19,865	70		0,3680	19,886— 19,890	2	0,0106
19,866— 19,870	' 38		0,2000		2 т — 190	2 © = 1,000

ления (рис. 3, б), построенные по данным табл. 2. Эта таблица со­ ставлена на основании наблюдений за рассеянием наружного диа­ метра круглой плашки после обтачивания ее на токарно-револьвер­ ном автомате 1А36. Диаметр круглой плашки после обтачивания должен быть 19,93-од мм (исходный материал — холоднотянутая сталь диаметром 21_о,14 мм марки 9ХС). На рис. 3 эмпирическое распределение показано сплошной линией, а теоретическое — штри­ ховой. Из сравнения их видим достаточную близость теоретически вычисленных данных к эмпирическим.

При исследовании погрешностей обработки трудно провести резкую грань между случайными и систематическими погрешностями. Малые по величине систематические погрешности могут оказаться незаметными и перейти в категорию случайных. Процесс обработки, в котором все погрешности относятся только к случайным, мы будем называть устойчивым, стабильным процессом. Значит задача стаби­ лизации процесса обработки сводится к обнаружению системати­ ческих погрешностей и к устранению причин их вызывающих. При­ чины, вызывающие случайные погрешности, многочисленны и раз­ нообразны и более или менее независимы друг от друга. Каждая такая причина вызывает случайную погрешность, которая подчи­ няется своему закону распределения. Фактическая погрешность обработки является суммой большого количества отдельных случай­ ных погрешностей.

Для получения достоверной кривой распределения с целью вы­ явления характера рассеяния размеров рекомендуется сделать по крайней мере 100—300 измерений. В отдельных случаях достаточно произвести 50 измерений. Такой способ исследования носит назва­ ние выборочного. Отобранная для измерений часть заготовок на­ зывается выборкой или выборочной совокупностью. В силу этого к выборочному исследованию применимы теоремы теории вероят­ ностей, например закон больших чисел. Сущность закона больших чисел заключается в том, что при достаточно большом объеме выборки

19

пропорции интересующих нас признаков, полученные на основе выборочного исследования, будут сколь угодно мало отличаться от соответствующих пропорций этих признаков во всей генеральной совокупности [4, 9 ].

Из законов распределения наибольшее применение при обработке резЗнием имеют: закон нормального распределения размеров (закон Гаусса) и закон распределения существенно положительных вели­ чин (закон распределения Максвелла). С законом нормального распределения согласовывается распределение размеров, твердости, массы, химического состава, температуры, объема, мощности, ско­ рости, времени и т. д. С распределением существенно положительных величин согласовывается распределение: биений изделий по наруж­ ной и торцовой поверхностям, разностенности.

Аналитически закон нормального распределения выражается

формулой [4]	1 _<*-*>*
	у ----- 1 = е	™	,	(3 )
	а У 2 п
где у — теоретическая ордината (частота)			распределения;
х — текущая	абсцисса данного	эмпирического распределения;
о — среднее	квадратическое отклонение			или стандарт;

е— основание натуральных логарифмов, равное 2,781;

х— средняя арифметическая из всех величин этого распреде­

ления.			мч
Средняя	арифметическая
	-_*1«1+*аЩ Л--1-хптп
		2 т
где гпц т 2, тп — частота одинаковых значений;
х г, х 2, хп — действительные размеры;			данном
	2 т — сумма всех	величин, встречаемых в
Среднее	распределении.
	квадратическое отклонение
	Щ (*! — 1с)2+ т а (лг8 — х)2Н------ 1-тп(хп— х)2
ИЛИ
	-1 /	^ ( л — х)*т,	(5)
	а-У	-

На рис. 4. изображены три теоретические кривые нормального распределения. Несмотря на различие в форме этих кривых, они имеют общие черты: расположены симметрично относительно верти­ кальной прямой, проведенной через наивысшую точку; имеют коло­ колообразную форму; все кривые, имеющие наивысшую точку, вправо и влево непрерывно понижаются. При меньшем значении

20