4. Управление точностью обработки

Управление точностью процесса обработки осуществляют по выход­ным данным (поднастройка станка); по входным данным и управлением упругими перемещениями в технологической системе. Рассмотрим каж­дый способ отдельно.

П од влиянием систематических переменных погрешностей мгновен­ный центр группирования размеров при обработке партии деталей по­степенно смещается на величину А (рис. 82). Через какой-то проме­жуток времени возникает опасность выхода размеров части заготовок за пределы поля допуска. Последовательным измерением проб (см. ме­тод точечных диаграмм, п.6.6.5), вручную или всех деталей автомати­чески, удаётся вовремя установить величину А и выполнить необходимую поднастройку станка. Поднастройкой (подналадкой) станка называют процесс восстановления перво­начальной точности взаимного расположения инструмента и обрабаты­ваемой заготовки, нарушенного во время обработки партии заготовок.

Для предотвращения появления брака важно своевременно устано­вить момент требуемой поднастройки и продолжительность обработки заготовок Т между поднастройками. При осуществлении поднастройки станка через промежуток времени Т суммарное рассеивание размеров партии заготовок , где - поле рассеивания раз­меров деталей под влиянием случайных погрешностей; - сме­шение вершины кривой за время Т под влиянием переменных систе­матических погрешностей.

Чем чаще производят поднастройку станка (чем меньше Т ), тем меньше величина в партии деталей. Вместе с тем ручная поднастройка станка требует определённых затрат времени. Станок оста­навливают для выполнения измерений и регулировок, в связи с чем производительность техпроцесса падает. Поэтому стремятся к сокра­щению числа простоев станка из-за подналадки, например, повышением размерной стойкости инструмента. Эта проблема успешно решается пу­тём автоматизации контрольных измерений обрабатываемых заготовок и самого процесса поднастройки. Для этих целей используют устройства активного контроля с автоподналадчиками, которые могут работать по заданной программе, т.е. через заданное время или путь резания по­давать сигнал специальному регулирующему устройству для перемеще­ния инструмента на определённую величину (А или А/2) для компенса­ции систематической переменной погрешности (например, связанной с износом резца). Момент регулирования устанавливают заранее на ос­нове эксперимента. Конструкция автоподналадчиков этого типа доста­точно проста и надёжна. Их эффективно используют при условии высо­кой степени однородности размеров и свойств материалов заготовок, а также качества режущего инструмента (стойкости). В противном случае точность деталей получается низкой.

Другой метод управления точностью по выходным данным заключает­ся в непрерывном измерении обрабатываемых или обработанных загото­вок с запоминанием результатов в специальном суммирующем устройст­ве. В момент, когда погрешности обработки приближаются по величине к границам поля допуска, на исполнительные органы станка поступает команда на подналадку (рис. 83). Обработанная деталь (или группа деталей) передаётся со станка 1 на измерительное устройство 2. Результаты измерения в виде команды передаются на регулирующее уст­ройство 3, корректирующее настройку станка 1. В этом случае, ког­да момент поднастройки определяют на основе измерений действитель­ных размеров обрабатываемых заготовок, точ­ность обработки повышается и метод автоподналадки становится более универсальным. Его применяют при круглом и внутреннем шлифовании, чистовом и тонком точении и некоторых других видах обработки. Станки при этом находятся в непрерывной работе. Автоподналадчики такого типа весьма точны, сложны по конструкции и дороги. Их приме­нение эффективно лишь в условиях массового и крупносерийного производства.

Управление точностью по входным данным позволяет сократить поле рассеивания слу­чайных погрешностей, связанных с колебаниями припуска и твёрдости поверхностей заготовок. Схема управляющего устройства, состоящего из измерительного устройства 2 для заготовок, поступающих на станок 1, представлена на рис. 84. Данные измерения размеров и твёрдости каждой заготовки сра­вниваются с эталонными (заданными). Вели­чина рассогласования в виде сигнала посту­пает на регулирующее устройство 3, произ­водящее предварительную (перед обработкой данной конкретной, обмеренной заготовки) корректировку настройки станка, т.е. со­кращение или увеличение размера между ре­жущей кромкой инструмента и базой загото­вки. В результате этого влияние случайных погрешностей, возникающих из-за непостоянства припуска на обработку, неоднородности материала заготовок и ошибок установки заготовок ня станке, могут быть в значительной степени уменьшены.

Следует заметить, что измерив предварительно размеры и твёрдость всех заготовок партии, их можно рассортировать на группы с понижен­ной, нормальной и повышенной твёрдостью и с уменьшенными, нормаль­ными и запушенными припусками. С учётом полученных значений можно уточнять (корректировать) настроечные размеры станка перед обработ­кой заготовок каждой отдельной группы, т.е. осуществлять механическую обработку, используя методы селекции. Большим недостатком этого метода, ограничивающим его практическое применение, являет­ся его трудоёмкость и организационная сложность.

Значительно большие удобства имеют адаптивные методы управления точностью обработки, развитые в СССР трудами проф. Б.С. Балакшина.

Методы адаптивного управления точностью обработки основаны на принципе компенсации упругих отжатий в технологической системе, вызванных колебаниями припуска и твёрдости заготовки, упругими пе­ремещениями элементов системы в противоположном направлении. Схема фрезерования заготовки в размер А показана на рис. 85. В процес­се резания под действием нормальных составляющих сил Р_У фреза отжимается влево, а заготовка вместе с приспособлением и столом - вправо. Величина упругих отжа­тий в продолжительности всего процесса резания контролиру­ется измерительными (индукти­вными или др.) датчиками d₁ и d₂. Электрические импуль­сы, поступающие от двух дат­чиков, суммируются в измери­тельном приборе И и показы­вают на его отсчётном устройстве величину упругих перемещений, нарушающих первоначальный настроечный размер А.

По показаниям приборов можно осуществить поднастройку станка. Для этого стол станка вместе с приспособлением перемещают на необходи­мую величину влево или вправо (см. рис. 85). Серьезным недостатком этого способа являются трудности в осуществлении малых перемещений стола с помощью механизма поперечных подач S_поп..

Этого недостатка лишён способ управления упругими перемещениями посредством системы автоматического управления (САУ)¹ , в основу которого положена возможность непрерывного изменения продольной подачи. В основе САУ лежат следующие положения: величина упругих отжатий постоянной жесткости J_С величина У за­висит от колебаний Р_У . В свою очередь . Сох­ранить величину Р_У и, следовательно, У постоянными при колебаниях припуска (t const), твёрдости (НВ соnst) и притуплении инст­румента ( сonst), можно лишь соответствующими изменениями пода­чи S. На этом принципе основана САУ. При обработке мест поверхнос­тей заготовок с увеличенными припусками и твёрдостью величина пода­чи S уменьшается; при обработке мест с малой твёрдостью и незначи­тельным припуском - величина S увеличивается. Регулировка подачи может осуществляться непрерывно (гидравлически) или дискретно (скачкообразно, ступенчато). Сигналы на изменение подачи поступают от да­тчиков, контролирующих упругие отжатия У . Таким образом, в САУ уп­ругие перемещения технологической системы сами управляют подачей S , при этом механизм регулирования получается весьма тонким и чувстви­тельным.

Проф. Б.С. Балакшин проверил САУ на всех станках и на всех видах обработки, кроме обработки фасонных поверхностей. Установлено, что обработка с использованием САУ позволяет в 3...9 раз уменьшить поле рассеивания размеров. Например, при точении валиков на станке IK62 длиною 100 мм и диаметром 38...45 мм с припуском на диаметр 3...10 мм рассеивание размеров в среднем составляет Δ = 0,052 мм. При исполь­зовании САУ рассеивание сократилось до величины Δ _max = 0,006 мм, т.е. в 9 раз.

Кроме уменьшения поля рассеивания размеров деталей, регулирование подачи в процессе обработки позволяет повысить точность геометричес­кой формы. Например, при точении (шлифовании) в центрах длинного то­нкого валика из-за переменной величины упругих отжатий заготовки по длине резания возникает погрешность формы - бочкообразность (см.п. 6.4). Выровнять величину отжатий заготовки от инструмента по всей длине обработки, и тем самым исключить образование погрешности формы удаётся изменением по определённой программе сил резания. Изменение сил резания в необходимых пределах обеспечивают соответствующим peгулированием продольной подачи. В частном случае рассматриваемого при­мера, продольную подачу резца (шлифовального круга) первоначально замедляют (сила Р_У и упругие отжатия У уменьшаются), а затем снова ускоряют. Погрешность формы детали исчезает или уменьшается.

Изложенные сведения показывают, что управление упругими перемещениями путём изменения продольной подачи в общем случае позволяют:

- повысить точность обработки за счёт сокращения рассеивания размеров и уменьшения погрешностей формы, т.е. в значительной степени компенсировать влияние случайных факторов и факторов, действующих систематически (как износ инструмента и т.п.);

- увеличить производительность большинства технологических систем за счёт обработки на интенсивных режимах и, в частности, прохождения режущим инструментом холостых ходов и участков с минимальными припусками и твёрдостью поверхностей при максимальной подаче;

- использовать чрезвычайно тонкий и чувствительный механизм регули­рования технологической системы для сохранения постоянного размера статической настройки станка;

- создать измерительную систему в любой момент времени, показывающую рабочему и обслуживающему персоналу весь ход технологического процесса в виде объективных показателей;

- обеспечить обработку заготовок с равномерной нагрузкой технологи­ческой системы, что способствует более экономичному использованию системы и режущего инструмента, повышает долговечность и снижает за­траты на их эксплуатацию;

- в сочетании с активным контролем автоматически управлять технологической системой по входным и выходным данным.

Системы автоматического управления точностью обработки нашли при­менение в ряде конструкций станков, выпускаемых отечественной промы­шленностью. Вместе с тем система обладает и рядом недостатков, сре­ди которых главными считают:

- практическую потерю своих преимуществ в условиях многоинструментальной обработки;

- существенный рост стоимости станков, оснащённых САУ;

- усложнение и удорожание наладки станков с САУ, а также их обслу­живания и ремонта;

- изменение величины продольной подачи по длине обработки, приводя­щее к неоднородности шероховатости поверхности детали на отдельных участках (увеличение шероховатости примерно прямо пропорционально квадрату величины подачи, т.е. . Управлять упругими перемещениями технологической системы можно изменением жёсткости. Из равенства следует, что для сохране­ния постоянными упругих отжатий (У=const) при изменяющейся силе резания можно изменением жёст­кости I_c . Для этого проф. Б.С. Балакшин предлагает, например, использовать специальный резце­держатель (рис.86). Резец 1 опирается на плоскую пружину 2, имеющую две опоры. Расстояние между опорами может изменяться вручную или автоматически при помощи электродвигателя, кото­рый вращает винт 3 с левой и правой нарезкой. При сближении опор жесткость системы повышается, при удалении - падает. При нарастании силы Р, например, вследствие увеличения припуска на обработку для сохранения У = const, необходимо опоры сближать и повышать тем самым жёсткость системы на требуемую величину. Опыты показали, что эта система позво­ляет сокращать погрешности до 5 раз и обеспечивает стабильную шерохо­ватость по всей обрабатываемой поверхности детали.

Недостаток способа - значительные сложности в создании малоинерциoнныx систем мгновенного изменения жёсткости на требуемую величину.