39700

Основы технологии машиностроения. Технологии ремонта машин

Книга

Производство и промышленные технологии

Различают технологические процессы выполнения заготовок термической обработки механической обработки сборки. В технологических процессах заготовительного характера происходит превращение исходного материала в заготовки деталей машин заданных размеров и конфигурации путем литья обработки давлением резки сортового или специального проката а также комбинированными методами. В процессе термической обработки происходят структурные превращения изменяющие свойства материала детали. Под технологическим процессом механической обработки...

Русский

2015-01-15

7.19 MB

70 чел.

ГЛАВА I

ИЗДЕЛИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС В МАШИНОСТРОЕНИИ

§ 1. ИЗДЕЛИЕ И ЕГО ЭЛЕМЕНТЫ

Изделием в машиностроении называется предмет производства, подлежащий изготовлению на предприятии. Изделием может быть машина, элементы машины и даже отдельная деталь, в зависимости от того, что является продуктом конечной стадии данного производства. Например, для автомобильного завода изделием является автомобиль, для карбюраторного завода—карбюратор, для автоматического завода поршней — поршень.

Деталь — это изделие (составная часть изделия), изготовленное из однородного по наименованию и марко материал.-). Характерный признак детали — отсутствие в пей разъемных и неразъемных соединений. Деталь — это первичный сборочный элемент каждой машины. Сборочная единица (узел) — это также изделие. Она имеет разъемное или неразъемное соединение своих составных частей; характерным признаком узла с технологической точки зрения является возможность его сборки обособленно от других элементов изделия. Узел в зависимости от конструкции может состоять либо из отдельных деталей, либо из подузлов и деталей. Различают подузлы первого, второго, и более высоких порядков. Подузел первого порядка входит непосредственно в состав узла. Он состоит либо из отдельных деталей, либо из одного или нескольких подузлов второго порядка и деталей. Подузел второго порядка входит в состав подузла первого порядка. Он расчленяется на детали или на подузлы ( подузел ) третьего порядка и детали и т. д. Подузел наивысшего порядка расчленяется только на детали. Рассмотренное деление изделия на составные части производится по технологическому признаку.

Существует другое деление, когда изделие расчленяется на составные части (сборочные элементы) по функциональному признаку. К ним можно, например, отнести механизм распределения двигателя, систему его смазки или охлаждения. Эти составные части изделия не являются сборочными с технологической точки зрения, так как их в большинстве случаев нельзя обособленно и полностью собрать отдельно от других элементов изделия. Деление изделия на составные части и оформление чертежей и других технических документов в машиностроении дано в ГОСТ 2101—68.

В современном машиностроении сборка расчленяется на общую и узловую. Объектом общей сборки является машина, объектом узловой сборки являются ее сборочные единицы (узлы и подузлы). Построение процессов общей и узловой сборки может быть наглядно представлено при помощи' технологических схем. Эти схемы отражают структуру и последовательность комплектования изделий. и узлов. В качестве примера на рис. 1 показан сборочный чертеж червячного редуктора, а на схеме 1 показаны технологические схемы его общей (а) и узловой г) сборки. На этих схемах каждый элемент изделия обозначается прямоугольником, разделенным на три части. В верхней части прямоугольника указывается наименование элемента; в левой нижней части—его индекс, а в правой нижней — количество элементов, входящих в данное соединение.

         Индексация элементов машины производится в соответствии с номерами, проставленными на сборочных чертежах и в спецификациях. Перед индексом узла ставят буквы сб. (сборка).

Элемент, с которого начинается сборка, называется базовым.

       Процесс комплектования объекта сборки изображен горизонтальной прямой линией. Ее проводят в направлении от базового элемента изделия к собранному объекту. Сверху условно изображаются в порядке последовательности сборки все непосредственно входящие в изделие детали, а снизу — все непосредственно входящие в изделие узлы. На технологических схемах узловой сборки эти узлы расчленяются на подузлы и детали. 

      Технологические схемы сборки снабжаются надписями-сносками, определяющими характер сборочных соединений и контроля (запрессовка, клепка, пайка, регулировка, выверка, совместная обработка и пр.), когда они не ясны из самой схемы. Отдельные узлы подвергаются по условиям общей сборки частичной или полной разборке при их Окончательной установке в собираемую машину. Например, поршень с шатуном в сборе предварительно собирают и проверяют на контрольном приспособлении, а при сборке машины (в данном случае компрессора) крышку шатуна снимают для соединения его с      мотылевой шейкой коленчатого вала. Этот вид дополнительных работ также отражается пояснительной надписью на технологической схеме общей сборки.

Технологические схемы упрощают проектирование процессов сборки и позволяют оценить конструкцию изделия с технологической точки зрения. Предпочтительна та конструкция изделия, при которой возможна его сборка из предварительно собранных взаимозаменяемых узлов; в этом случае собранный узел устанавливается на собираемое изделие после технического контроля качества его сборки; это позволяет быстрее обнаруживать дефекты общей сборки, которые в этом случае следует искать в соединениях

узлов, а не внутри их. Кроме того, конструкция изделия, сборку которого можно производить из предварительно собранных узлов, позволяет выполнять сборочные работы широким фронтом, путем параллельной сборки узлов и изделия, что значительно сокращает длительность цикла сборки. Технологические схемы сборки наглядно отражают степень соблюдения перечисленных условий узловой сборки; при построении технологических схем можно обнаружить также возможные конструктивные неувязки собираемого изделия.

Составление технологических схем общей и узловой сборки на одно и то же изделие часто возможно в нескольких вариантах, отличающихся по структуре, и последовательности комплектования сборочных элементов. Выбор варианта производится с учетом удобств выполнения процессов сборки и контроля. Выбранный вариант технологического процесса сборки, зафиксированный составленной схемой, должен обеспечивать заданное качество изделий и быть наиболее рентабельным и производительным для данных условий производства (единичного, серийного, массового).

Из изложенного следует, что при создании новых машин нужно их сборку осуществлять из взаимозаменяемых узлов (принцип узловой сборки). Это обеспечивает большие преимущества не только при их производстве, но также при обслуживании, эксплуатации и ремонте.

§ 2. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ    ПРОЦЕССЫ В МАШИНОСТРОЕНИИ

Производственный процесс представляет собой всю совокупность взаимосвязанных действий, в результате которых исходные материалы и полуфабрикаты превращаются в готовые изделия, соответствующие своему служебному назначению. Средством для максимального удовлетворения постоянно растущих потребностей общества является непрерывный рост и совершенствование социалистического производства на базе высшей техники. Производственный процесс в машиностроении охватывает: подготовку средств производства и организацию обслуживания рабочих мест; получение и хранение материалов и полуфабрикатов; все стадии изготовления деталей машин; сборку узлов и изделий; транспортировку материалов, заготовок, деталей, узлов и готовых изделий; технический контроль на всех стадиях производства; упаковку готовой продукции и другие действия, связанные с изготовлением выпускаемых изделий.

Технологическим процессом называют часть производственного процесса, непосредственно связанную с последовательным изменением состояния объекта производства.

Увеличение выпуска машин должно обеспечиваться не путем простого расширения (экстенсификации) производства, а в первую очередь за счет интенсификации технологических процессов. Поэтому основная задача технолога-машиностроителя заключается в построении высокопроизводительных технологических процессов.

Различают технологические процессы выполнения заготовок, термической обработки, механической обработки, сборки.

В технологических процессах заготовительного характера происходит превращение исходного материала в заготовки деталей машин заданных размеров и конфигурации путем литья, обработки давлением, резки сортового или специального проката, а также комбинированными методами.

В процессе термической обработки происходят структурные превращения, изменяющие свойства материала детали.

Под технологическим процессом механической обработки понимают последовательное изменение состояния заготовки (ее геометрических форм, размеров и качества поверхностей), до получения готовой детали. Для обработки заготовку устанавливают на станке и закрепляют. После обработки заготовку снимают со станка. Эти действия (установка и снятие заготовки пуск и остановка станка и т. п.) не изменяют состояния заготовки, однако они настолько связаны с выполнением обработки, что не могут быть отделены от технологического процесса.

      Технологический процесс сборки непосредственно связан с последовательным соединением элементов изделий в узлы (узловая сборка), узлов и отдельных деталей в изделие (общая сборка). Для его выполнения также необходимо произвести ряд вспомогательных действий, неразрывно связанных с процессом соединения элементов.           

Технологический процесс выполняется на рабочих местах. Р а б о ч и м местом называется участок производственной площади, оборудованный в соответствии с выполняемой на нем работой.

Технологический процесс расчленяется на операции. Технологической операцией называется часть технологического процесса, выполняемая непрерывно на одном рабочем месте и охватывающая все действия оборудования и рабочих над одним или несколькими совместно обрабатываемыми или собираемыми объектами производства. Например, при станочной обработке операция включает все действия рабочего, управляющего станком, а также автоматические движения узлов станка, осуществляемые в процессе обработки поверхностей заготовки до момента снятия ее со станка и перехода к обработке другой заготовки. При этом вместо одной заготовки может быть установлено для одновременной обработки несколько заготовок (станкопартия или установочная партия). Содержание операции изменяется в широких пределах: от работы, выполняемой на отдельном станке (сборочной установке) в обычном производстве, до работы, выполняемой на автоматической линии, представляющей собой комплекс технологического оборудования, связанного единой транспортной системой и имеющей единую систему управления, в автоматизированном производстве.

Установление содержания и последовательности выполнения операций входит в задачу проектирования технологического процесса. Этот вопрос имеет большое значение для производства, так как учет производительности, контроль и планирование технологического процесса в цехе ведут по операциям. Операция является основной и неделимой частью технологического процесса в организационном отношении. По операциям определяют трудоемкость процесса, требующееся количество производственных рабочих и его материально-техническое обеспечение (оборудование, приспособления, инструмент).

Кроме технологических, различают еще вспомогательные операции. К ним относятся транспортировка, контроль, маркировка и другие работы. По объему выполняемой работы технологическая операция может состоять из переходов, проходов и приемов.

Пееход-часть операции, характеризующаяся неизменностью обрабатываемой поверхности, рабочего инструмента (или нескольких одновременно используемых инструментов) и режима работы станка. Применительно к сборке переход характеризуется неизменностью сопрягаемых поверхностей и применяемого при этом инструмента .

П р о х о д — часть перехода, при котором снимается один слой материала. При этом все проходы, если их несколько, выполняют без изменения режима работы станка. Переход расчленяется на приемы.

П р и е м — законченная совокупность отдельных движений в процессе выполнения операции. Станочная операция по сверлению отверстия в вале (или другой детали) состоит из следующих приемов: взять вал и установить в приспособление; закрепить вал; включить станок; подвести сверло к валу; включить подачу; выключить подачу; отвести шпиндель в исходное положение; остановить станок; открепить нал; взять вал и доложить на стеллаж.

При изменении положения обрабатываемой заготовки (собираемого узла или изделия) операция может состоять из нескольких установок и позиций.

У с т а н о в о м называется часть операции, выполняемая при неизменном закреплении обрабатываемой заготовки (собираемого узла). Например, одновременная центровка обоих торцов вала на двустороннем центровальном станке является одной операцией, выполняемой за один установ. Последовательная центровка торцов того же вала на одностороннем центровальном станке является также одной операцией, но выполняемой уже за два установа.

Обрабатываемая заготовка и собираемое изделие, находясь в приспособлении, могут менять свое положение относительно рабочих элементов оборудования путем поворотных устройств, в этом случае они будут занимать различные позиции.

Позицией называется каждое из различных положений неизменно закрепленного предмета относительно оборудования, на котором производится работа. Например, заготовка, обрабатываемая на многошпиндельном токарном автомате, при каждом повороте шпиндельного барабана занимает новую позицию. Установы и позиции влияют на производительность и точность выполняемых технологических процессов.

§ 3. ТЕХНИЧЕСКИ ОБОСНОВАННАЯ НОРМА ВРЕМЕНИ

Операция является основным расчетным элементом технологического процесса. Время и себестоимость выполнения операции служат критерием, характеризующим целесообразность ее построения в условиях заданной производственной программы.

Технически обоснованной нормой времени называют время, необходимое для выполнения технологической операции в определенных организационно-технических условиях, наиболее благоприятных для данного производства. Технически обоснованную норму времени устанавливают в соответствии с эксплуатационными возможностями оборудования, инструментов и других средств производства, при условии применения методов работы, соответствующих современным достижениям производственной техники и с учетом опыта работы новаторов производства. На основе технически обоснованных норм времени устанавливают расценки, определяют производительность оборудования, осуществляют календарное планирование производства, выявляют возможность организации многостаночного обслуживания.

Технической нормой выработки называют величину, обратную норме времени; выражают ее количеством изделий в единицу времени.

Различают три метода нормирования: метод технического расчета норм по нормативам, метод расчета норм на основе изучения затрат рабочего времени наблюдением и метод сравнения и расчета по укрупненным типовым нормам. При первом методе определение длительности нормируемой операции производят расчетным путем по элементам, используя нормативы, представляющие собой расчетные величины продолжительности выполнения отдельных элементов работы. Норму времени устанавливают в результате анализа последовательности и содержания действий рабочего и машины-орудия при наивыгоднейшем использовании ее эксплуатационных свойств. При втором методе норму времени устанавливают на основе изучения затрат рабочего времени наблюдением непосредственно в производственных условиях. Этот метод имеет особое значение для изучения и обобщения передовых приемов труда, а также для разработки самих нормативов, необходимых для установления технически обоснованных норм расчетным путем.

При третьем методе норму времени определяют более приближенно по укрупненным типовым нормативам, которые разрабатывают на основе сопоставления и расчета типовых операций и процессов по отдельным видам работ. Этот метод нормирования применяют при единичном и мелкосерийном изготовлении продукции.

Технически обоснованную норму времени и техническую норму вы
работки устанавливают на каждую операцию. Для неавтоматизированного производства норма штучного времени

                                              ,                                                      (1)

где  — основное (технологическое) время;  — вспомогательное время; — время технического обслуживания; - время организационного обслуживания;  -время перерывов работы.

Основное (технологическое) время учитывает изменение состояния продукта производства в процессе механической обработки или сборки. При станочной обработке основное время определяют расчетом для каждого технологического перехода по формуле

                         ,                                                         (2)  

где  — расчетная длина обработки, мм; i — число проходов в данном переходе; — минутная подача инструмента, мм, равная произведению скорости вращения шпинделя n  в об/мин на подачу за 1 оборот (sоб). Величины sоб и n берутся по нормативам [9, 11] или рассчитывают (см. гл. VI).

при автоматическом цикле обработки к величине L прибавляют небольшой путь подвода инструмента к заготовке  для предупреждения удара в начале резания:

                                             

При ручном подводе инструмента величина L получается прибавлением к основной длине обработки  l пути врезания lвр и схода lсх режущего инструмента

                                                       ;                                                             

Величины lпд и lсх берут порядка 1 мм. Величину lвр определяют из геометрических соотношений. Длину l берут из чертежа заготовки. На рис. 2, а показаны составляющие L при сверлении сквозного отверстия (для стандартного сверла lвр = 0,3d, где d—диаметр сверла), а на рис. 2, б при прорезке паза дисковой фрезой ( , где d - диаметр фрезы и t — глубина паза). Для многоинструментной обработки путь l находят по длине наибольшего участка обрабатываемой поверхности (рис. 2, в). Величины lвр и lсх  в отдельных случаях равны нулю (цекование бобышек, прорезка узких канавок резцом на шейках вала, проточка шейки до уступа на рис. 2,в ).

При прерывистом резании (строгание, долбление, резка проката приводной ножовкой) учитывает время не только рабочих, но и обратных (холостых) движений инструмента (заготовки). Так, при строгании

                       

Здесь  и l2 — величины перебега резца в начале и конце рабочего хода, мм; l — длина заготовки, мм; В — ширина заготовки, мм; s—подача, мм на 1 двойной ход; р.х и о.х — скорости рабочего и обратного ходов стола, м/мин.

Произведение первых двух членов характеризует общий путь движения резца; умножая его на третий член, получают время рабочих и холостых движений инструмента, т. е. время строгания заготовки.

Пример. Определить основное время торцевого точения прямоугольной заготовки размерами L = 200 мм, В = 140 мм, d = 80 мм (рис. 2, г). Подача резца s = 0,3 мм/об. Скорость вращения заготовки n= 60 об/мин. Глубина резания t = 5 мм. Угол в плане резца = 45°.

Решение: Находим составляющие пути L. Путь врезания инструмента определяем по формуле

                                            

Основной путь находим из чертежа заготовки

Принимаем путь схода инструмента .Тогда

При лесарных работах и сборке нормируется по соответствующим нормативам[12,13].

Вспомогательное время охватывает действия, сопровождающие выполнение основной работы. Оно включает время на. установку, закрепление и снятие обрабатываемой заготовки или собираемого узла, управление механизмами оборудования, подвод и отвод рабочего инструмента, а также измерение обрабатываемой заготовки. Вспомогательное время находят суммированием элементов времени на выполнение перечисленных действий, устанавливаемых по нормативам вспомогательного времени [10, 11]. Сумму основного и вспомогательного времени называют оперативным временем (). Нормируется , неперекрываемое . Как и основное, вспомогательное время может быть ручным, машинно-ручным и машинным (автоматическим). Так, все движения суппортов токарного многорезцового полуавтомата (кроме непосредственно связанных с процессом резания) учитываются машинным вспомогательным временем.

Время технического обслуживания затрачивается на смену затупившегося инструмента, под наладку оборудования, заправку и регулировку инструмента. Его величину берут в процентах (до 6%) от основного или оперативного времени или рассчитывают по формулам в зависимости от вида выполняемых работ по нормативам [10].

Время организационного обслуживания рабочего места учитывает, затраты времени на подготовку рабочего места к началу работы, уборку рабочего места в конце смены, смазку и чистку станка и другие аналогичные действия в течение смены. Оно определяется в процентах от оперативного времени по нормативам (0,6—8%).

Время перерывов работы отводится на отдых и естественные надобности рабочего. Его берут по нормативам в процентном отношении к оперативному времени (около 2,5%).

Для упрощения подсчета штучного времени можно пользоваться формулой

          Здесь,и-проценты от оперативного времени, выражающие соответственно время технического обслуживания, организационного обслуживания и время перерывов в работе.. Значение и берут  по нормативам в зависимости от условий  выполняемой  операции. При нормировании сборочных работ  принимают равным нулю.

При обработке заготовок партиями определяют подготовительно-
заключительное время
Тпз, которое затрачивается рабочим на ознакомление с чертежом, подготовку и наладку оборудования, приспособлений и инструментов, снятие и сдачу          приспособлений и инструментов
после окончания работы и сдачу выполненной работы. В серийном производстве при периодически повторяющихся операциях, а также на
переналаживаемых групповых и автоматических станочных линиях
Тпзатрачивается главным образом на наладку оборудования. Это
время зависит от оборудования, на котором выполняется работа, характера выполняемой работы, степени сложности наладки и не зависит от размера партий

Норма  времени  на заданную партию

                                                                                             (4)                                                    

где п — количество заготовок в партии, шт.

При использовании автоматического оборудования норма штучного времени определяется по формуле (1) без учета составляющих и . В условиях автоматизации устанавливают норму времени на изготовление единицы продукции и норму, заданную рабочему (или бригаде рабочих), выраженную в единицах обслуживания (численности рабочих) .

Различают два основных способа изучения рабочего времени наблюдением : хронометраж и фотографию рабочего дня.

С помощью хронометража изучают затраты времени на выполнение циклически повторяющихся ручных и машинно-ручных элементов операции для установления их нормальной продолжительности, а также для разработки на этой основе нормативов, используемых при расчете технических норм времени.

Фотографией рабочего дня называют наблюдения с последовательным измерением всех затрат рабочего времени в течение одной или нескольких смен. Основное назначение фотографии рабочего дня — определение потерь рабочего времени, установление времени на обслуживание рабочего места и перерывы.

В условиях автоматизации эти методы позволяют выявить резервы производительности, рационально загрузить обслуживающих рабочих и наиболее полно использовать оборудование.

Под трудоемкостью понимают количество труда в человекочасах, затрачиваемое на технологический процесс изготовления единицы производимой продукции (деталь, узел, машина).

Под  станкоемкостью понимают время работы технологического оборудования (станков) в станко-часах, затрачиваемое на выполнение технологического процесса изготовления одной детали.

         В условиях автоматизации производства трудоемкость составляет часть станкоемкости . По станкоемкости рассчитывают количество потребных станков, по трудоемкости — количество рабочих.

§ 4, ТИПЫ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ  ПРОИЗВОДСТВ И МЕТОДЫ РАБОТЫ

В машиностроении различают три типа производства:  массовое, серийное и единичное и два метода работы: поточный и не поточный.

В массовом производстве изделия изготовляют непрерывно в относительно больших количествах и в течение достаточно продолжительного (обычно несколько лет) времени. Характерным признаком массового производства является, однако, не количество выпускаемых машин, а выполнение на большинстве рабочих мест только одной закрепленной за ними постоянно повторяющейся операции. Продукция массового производства — это однородные изделия стандартного типа, имеющие широкое применение и выпускаемые на широкий рынок сбыта. Такой продукцией являются автомобили, тракторы, велосипеды, электродвигатели, швейные машины и т.п.

В серийном производстве изготовляют партии деталей и серии изделий, регулярно повторяющиеся через определенные промежутки времени. Серийное производство — производство многономенклатурное. Его характерный признак — выполнение на большинстве рабочих мест по несколько периодически повторяющихся операций. Продукцией серийного производства являются машины установившегося типа (металлорежущие станки, стационарные двигатели внутреннего сгорания, насосы, компрессоры, оборудование для пищевой промышленности и т. п.), выпускаемые в более или менее значительных количествах.

В единичном производстве выпускаются изделия широкой номенклатуры в относительно малых количествах и часто индивидуально; поэтому оно должно быть универсальным и весьма гибким для выполнения разнообразных заданий. Изготовление изделий либо совсем не повторяется, либо повторяется через неопределенные промежутки времени. Характерным признаком единичного производства является выполнение на рабочих местах разнообразных операций без их периодического повторения. Продукция единичного производства — машины, не имеющие широкого применения и изготовляемые обычно по индивидуальным заказам, предусматривающим выполнение специальных требований. Единичное производство присуще тяжелому машиностроению, продукцией которого являются крупные гидротурбины, уникальные металлорежущие станки, прокатные станы, металлургическое оборудование и т. п.

Программа выпуска в массовом производстве обусловливает возможность узкой специализации рабочих мест, за каждым из которых закреплено выполнение только одной операции, и расположение оборудования по ходу технологического процесса в виде поточных линий. На каждой линии производят обработку отдельной детали (сборку отдельного узла). Если длительность операций на всех рабочих местах одинакова (кратна) и соответствует заданной производительности, то работа на линии выполняется с непрерывным движением объекта производства (непрерывным потоком) с заранее установленным темпом.

Под темпом при поточном методе работы понимают расчетный промежуток времени, через который с поточной линии происходит выпуск единицы продукции. Размерность темпа — мин/шт.

При заданном режиме работы цеха темп t зависит исключительно от заданного выпуска и определяется как частное от деления  фонда времени F (годового, за смену или другой период времени) в часах  на программное задание N (выпуск в штуках за тот же период времени)

                                                                                                           (5)

Номинальный (или календарный) годовой фонд времени работы оборудования (без учета потерь на его ремонт) составляет: для работу в одну смену – 2070ч , для двух смен – 4140 ч и для трех смен – 6210 ч. Действительный фонд времени получаем, умножая приведенные  величины  соответственно на коэффициенты 0,98;0,97 и 0,96,  учитывающие  потери времени на ремонт оборудования. В результате имеем следующие значения действительного фонда времени для одно- , двух- и трехсменной работы: 2030, 4015 и 5465 ч. Следовательно, календарный фонд времени для рабочих составляет 2070 ч и действительный 1860 ч (при 15-дневном отпуске). Соответственно этим значениям фонда времени темп может быть календарным и действительным. При разработке технологических процессов пользуются действительным темпом.

Темп существенно влияет на построение технологического процесса, так как необходимость привести штучное время каждой операции к величине, равной или кратной темпу, обусловливает необходимость соответствующего расчленения технологического процесса на операции и в некоторых случаях дублирования станков для получения требуемой производительности. Несоблюдение темпа работы на каком-либо рабочем месте нарушает нормальную работу непрерывно поточной линии. Время обработки на любом рабочем месте поточной линии не может быть больше темпа, так как на этом рабочем месте будет накапливаться постоянно возрастающее количество необработанных заготовок (узлов), а выпуск всего потока — отставать от заданного. При большом различии штучного времени отдельные рабочие места могут иметь малую загрузку. Для лучшего использования обслуживающих рабочих через отдельные рабочие места продукцию пропускают периодически (партиями). В этом случае непрерывность потока (синхронность) нарушается. Такое производство называют прямоточным.

Массовое производство по своей сущности является поточным. Его часто называют поточно-массовым . Темп потока является основной расчетной величиной, организующей все рабочие места поточных линий в единый производственный механизм. Бесперебойная работа поточных линий обеспечивается тщательно продуманной технологией производства выпускаемых изделий, планомерным питанием линий заготовками (деталями и узлами), а также ритмичной работой всех звеньев производственного механизма. Во избежание перебоев в работе поточной линии на рабочих местах предусматривают межоперационные запасы заготовок или деталей (заделы). Заделы обеспечивают непрерывность выпуска продукции в случае вынужденной остановки отдельных станков линии.

    В настоящее время поточные линии часто проектируют комплексными, на  них,помимо операций механической обработки, выполняют процессы сварки, термической обработки, высадки, штамповки, сборки, окраски, гальванопокрытий, мойки, контроля. Высшая форма организации поточно-массового производства обеспечивается при использовании автоматических линий.

При поточном методе работы поштучное перемещение обрабатываемых заготовок и собираемых изделий от одного рабочего места к другому в соответствии с последовательностью операций технологического процесса осуществляется либо вручную (на тележках, рольгангах, по желобам и т.п.), либо транспортирующим механизированным устройством непрерывного или периодического действия (конвейером или транспортером).

Достигнуть абсолютного равенства штучного времени на всех операциях не удается. Это предопределяет технологически неизбежное различие в загрузке оборудования по рабочим местам поточной линии. Недогрузку рабочих устраняют многостаночным обслуживанием двух, трех (или большего количества) единиц оборудования, с тем  чтобы суммарное время их обслуживания не превышало темпа потока.

Массовое производство экономически целесообразно при достаточно большом выпуске изделий. При малой программе выпуска изделий загрузка оборудования поточных линий может получиться очень низкой. В этом случае изготовление изделий организуется по принципам серийного производства.

Технологические особенности серийного производства изменяются в зависимости от номенклатуры, размера выпуска и трудоемкости изделий; поэтому различают мелко-, средне- и крупносерийное производство.

Мелкосерийное производство приближается по своим технологическим особенностям к единичному производству. В нем, как и в единичном производстве, применяют преимущественно универсальное оборудование (с расположением его в цехах по типам станков), нормальный рабочий и универсальный измерительный инструмент. Мелкосерийному производству присуща большая номенклатура выпускаемых изделий и большее количество выполняемых на различных рабочих местах операций .

В крупносерийном производстве наряду с универсальным оборудованием достаточно широко применяют оборудование специального назначения, а также специальные и агрегатные станки. Оборудование в цехах располагают не по типам станков, а по изготовляемым предметам и в ряде случаев в соответствии с выполняемым технологическим процессом. Наряду с нормальным применяют специальный рабочий инструмент, предельные калибры и специальные контрольные приспособления. Среднесерийное производство по своим признакам занимает промежуточное положение   между  крупно- и мелкосерийным.

Размер партии в серийном производстве, под которым понимают количество одновременно запускаемых в производство заготовок, устанавливается в зависимости от ряда производственных факторов; в частности на размер партии влияют годовой выпуск изделий, календарные сроки выпуска изделий, длительность производственных процессов и наладки технологического оборудования.

Детали во время работы хранятся у станков, а затем транспортируются партией на следующие рабочие места. Хранение деталей перед отдельными видами обработки, а также перед узловой и общей сборкой осуществляется на промежуточных складах или специальных площадках,

В настоящее время основное количество машин (около 80%) выпускается серийно. Это обусловило развитие поточных методов работы и в серийном производстве. Поточный метод работы обеспечивает: значительное сокращение (в десятки раз) цикла производства; значительное сокращение межоперационных заделов и незавершенного производства; возможность применения высокопроизводительного оборудования

и, как следствие этого, резкое снижение трудоемкости и себестоимости изделий; простоту планирования движения деталей и управления производством; возможность комплексной автоматизации производственных процессов. При поточных методах работы обычно уменьшаются оборотные фонды, а оборачиваемость вложенных в производство средств значительно повышается. Длительность цикла обработки партии деталей из п штук при  не поточном  методе производства и последовательной их передаче

                       .                                                Здесь — сумма штучных времен по всему процессу механической

обработки данной детали; Тхр — время хранения одной партии деталей в промежуточном складе; k — число завозов деталей на промежуточный склад (в самом невыгодном случае равно числу операций i в процессе обработки); Tт — время одного транспортирования партии деталей от станка к складу (и обратно); количество транспортировании деталей (2k + 1) учитывает одну перевозку их на сборку.                              Длительность цикла обработки одной детали (n = 1)

                                          .                                             (7)    

При поточном методе длительность цикла обработки одной детали равна произведению темпа на число операций (рабочих мест)

                                                                                                                          

В непрерывно поточном серийном производстве в отличие от непрерывно поточно-массового одна серия изделий сменяет другую, что сопровождается переналадкой оборудования на всех рабочих местах. В прямоточном серийном производстве, как и в обычном, серийном, движение изделий прерывистое, а оборудование располагается прямоточно (по ходу технологического процесса). Для повышения загрузки оборудования в серийном производстве находят применение многономенклатурные поточные линии. К ним относятся переменно поточные и групповые линии, а также предметно-замкнутые участки.

При переменно поточной обработке за каждым станком линии закреплено по нескольку операций для технологически однотипных деталей, запускаемых в обработку попеременно . В течение определенного  периода времени (обычно несколько смен) на линии ведется поточная обработка одной детали. Затем ее переналаживают для обработки другой прикрепленной детали и т. п. Приспособления для переменно поточных линий конструируют так, чтобы в них можно было устанавливать и закреплять заготовки всей прикрепленной группы обрабатываемых деталей без съема со станков при переналадке линии. При групповой обработке на каждом станке линии одновременно выполняется несколько операций разных технологических процессов. Это обеспечивается применением специальных многоместных приспособлений, в которые
устанавливают и закрепляют всю группу деталей, прикрепленных
к данной линии. Таким образом, на каждом станке выполняется комплекс операций по технологическим процессам прикрепленных деталей.
При групповой обработке повышается загрузка оборудования, а линия
работает без переналадки станков. Количество деталей в группе от двух
(спаренные линии для обработки специальных деталей, например, выпускного и впускного клапанов) до восьми и более.

Основой для проектирования групповых и переменно поточных линий служат тщательно разработанные технологические процессы. Переменно поточную и групповую обработку (сборку) выполняют на обычных и автоматических линиях.

Для обработки конструктивно и технологически сходных деталей применяют также предметно-замкнутые участки. Технологические процессы обработки этих деталей имеют одинаковую структуру, однородные операции и одинаковую последовательность их выполнения.

Ряд технологических методов, возникших в поточно-массовом производстве, с успехом применяют не только в серийном, но и в единичном производстве. Например, в единичном производстве, как и в массовом, применяют расчленение сборки на узловую и общую.

Планомерно проводимая унификация и стандартизация изделий машиностроения способствует специализации производства. Ограничивая число типоразмеров изделий одного назначения минимальным ассортиментом наиболее совершенных образцов, стандартизации приводит к сужению номенклатуры изделий при значительном увеличении программы их выпуска. Это позволяет шире применять поточные методы работы и автоматизацию производства.

На XXIV съезде партии с исчерпывающей полнотой отмечалось значение специализации производства как важнейшего условия технического прогресса и рациональной организации общественного труда. Отраслевая и технологическая специализации производства повышают производительность труда и радикально улучшают структуру машиностроительной промышленности, способствуя концентрации производства конструктивно и технологически однородных изделий. В связи с этим развитие поточно-массового производства в отечественном машиностроении заметно возрастет уже в ближайшем будущем.

Деление машиностроительных заводов по типам производства является условным.

Можно называть производство массовым, если на большинстве рабочих мест выполняется одна постоянно повторяющаяся операция и если рабочие места расположены в порядке, соответствующем технологическому процессу. Если же на большинстве рабочих мест выполняется несколько периодически повторяющихся операций, то такое производство следует считать серийным. Отсутствие периодичности повторения операций на рабочих местах характеризует единичное производство.

ГЛАВА II ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ МАШИН

§ 5. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ     КОНСТРУКЦИЙ

Совершенство конструкции машины характеризуется ее соответствием современному уровню техники, экономичностью и удобствами в эксплуатации, а также тем, в какой мере учтены возможности использования наиболее экономичных и производительных технологических методов ее изготовления применительно к заданному выпуску и условиям производства.

Конструкцию машины, в которой эти возможности полностью учтены, называют технологичной. Оценку технологичности конструкции данной машины по сравнению с другой (лучшего отечественного или зарубежного образца) производят, сопоставляя их трудоемкости, себестоимости и материалоемкости. Дополнительную оценку производят по степени унификации марок и типоразмеров примененных материалов, унификации и нормализации элементов изделия, рациональности  расчленения его на конструктивные и технологические узлы, достигнутому уровню взаимозаменяемости элементов изделия, весу машины, уровню конструктивной преемственности оригинальных деталей и узлов, коэффициентам среднего класса точности и чистоты поверхностей деталей изделия, возможности сокращения сроков подготовки и освоения производства изделия, а также возможности автоматизации его изготовления. Определение показателей технологичности конструкций дано в отраслевом стандарте ОСТ  8476—69.

Технологичность конструкции изделия — понятие относительное. Технологичность конструкции одной и той же машины будет разной для различных типов производства. Изделие, достаточно технологичное в единичном производстве, может быть мало технологичным в обычном поточно-массовом и совершенно нетехнологичным в поточно автоматизированном производстве. Технологичность конструкции одного и того же изделия будет разной для заводов с различными производственными возможностями. Если, например, в единичном производстве используются станки с программным управлением или другое переналаживаемое автоматическое оборудование, то характеристика технологичности конструкции выпускаемых изделий для этих условий может сильно измениться по сравнению с условиями единичного производства, оснащенного обычным универсальным оборудованием. Развитие производственной техники изменяет уровень технологичности конструкции; ранее нетехнологичные конструкции могут стать вполне технологичными при новых методах обработки.

Технологичность конструкции изделий — понятие комплексное. Нельзя технологичность конструкции рассматривать изолированно без взаимной связи и учета условии выполнения заготовительных процессов, процессов механической обработки, сборки и контроля. Отработанная на технологичность конструкция заготовки не должна усложнять последующую механическую обработку. В то же время отработку на технологичность конструкции детали следует производить не только в целях упрощения механической обработки, но и с учетом выполнения заготовительных процессов и сборки, стремясь получить наименьшую трудоемкость и наименьшую себестоимость изготовления машины в целом.

Улучшением технологичности конструкции можно увеличить выпуск продукции при тех же средствах производства. Трудоемкость машин нередко удается сократить на 15 Ч- 25% и более, а себестоимость их изготовления на 5ч-10%. По отдельным деталям эти показатели часто можно повысить еще больше. Недооценка технологичности конструкции часто приводит к необходимости корректировки рабочих чертежей после их составления, удлинению сроков подготовки и дополнительным издержкам производства.

Понятие технологичности конструкции машин распространяют не только на область производства, но и на область их эксплуатации. Конструкция машин должна быть удобной для обслуживания и ремонтопригодной. Последнее весьма важно, поскольку затраты на все виды ремонта часто превышают стоимость новых изделий. Повышение ремонтопригодности изделия обеспечивается легкостью и удобством его разборки и сборки, осуществлением принципа узловой смены и узлового ремонта элементов изделия, введением в конструкцию сменных изнашиваемых деталей, а также возможностью перешлифовки и восстановления наиболее сложных деталей.

При конструировании машин необходимо предусматривать возможность использования технологических методов, обеспечивающих повышение надежности и долговечности машин. Практика работы передовых предприятий показала, что лучше всего отрабатывать конструкции изделия на технологичность в процессе создания самой конструкции. При этом достигается хороший деловой контакт и творческое содружество конструкторов и технологов. Отработка конструкции на технологичность начинается уже с составлением технического задания на проектирование нового изделия. Эта работа продолжается и углубляется на стадиях разработки эскизного и технического проектов, составления рабочей документации. При последующем изготовлении опытного образца' установившейся серии изделий производится, если необходимо, окончательная корректировка конструкции на технологичность, (см. ГОСТ 14.201 — 73).

В настоящее время работы по улучшению технологичности конструкции изделий ведутся в различных отраслях машиностроения. На основе обобщения и систематизации накапливаемых данных многими организациями создаются для конструкторов соответствующие нормативы, справочники и руководящие технические материалы. Вопросы технологичности конструкций освещены также в специальной литературе[17].

§ 6. ТРЕБОВАНИЯ К СБОРКЕ ПРИ КОНСТРУИРОВАНИИ МАШИН

При конструировании машин конструктор должен учитывать следующие требования, обусловливающие возможность построения высокопроизводительных процессов общей и узловой сборки. Прежде всего конструкция машины должна допускать возможность ее сборки из предварительно собранных узлов. Принцип узловой сборки позволяет осуществлять параллельную сборку узлов и изделия, значительно сокращать длительность цикла сборки машины. Конструктор должен предусматривать возможность расчленения машины на рациональные технологические узлы. Весьма существенное технологическое преимущество можно получить в том случае, когда механизмы изделия, выполняющие определенные функции, являются одновременно и его технологическими узлами, сборку которых можно производить обособленно и независимо от других элементов изделия. Такие узлы перед передачей их на общую сборку проходят соответствующий контроль и испытания; этим устраняется появление дефектов на общей сборке, повышается ее качество.

Для сокращения длительности общей сборки желательно предусматривать возможность одновременного и независимого друг от друга монтажа различных узлов на базовую деталь (базовый узел) изделия. Возможность параллельного выполнения сборочных работ желательно предусматривать и на узловой сборке.

В тех случаях, когда по условиям сборки, условиям правильного функционирования собираемого соединения или условиям приработки сопрягаемых деталей важно обеспечить определенное и единственное возможное относительное положение собираемых элементов в изделии, необходимо предусматривать соответствующие установочные метки, контрольные штифты или смещенное (несимметричное) размещение крепежных деталей; осуществление этих несложных конструктивных мероприятий позволяет исключать грубые субъективные ошибки при сборке новых изделий и их ремонте.

Необходимо предусматривать возможность максимальной механизации и автоматизации сборочных работ на узловой и общей сборке, максимальное облегчение условий труда (особенно при сборке тяжелых объектов), а также упрощение и качественное выполнение контрольно-измерительных работ.

Машина в целом должна иметь простую компоновку и простое конструктивное решение, не вызывающее затруднений при ее сборке. Следует по возможности уменьшать количество наименований деталей и узлов машины, а также стремиться к их взаимозаменяемости. Использование в максимально возможной степени стандартных деталей и узлов позволяет приобретать их со стороны по сравнительно низкой цене. Нормализация и унификация отдельных деталей и узлов обусловливает увеличение серийности выпуска, а следовательно, снижение трудоемкости и себестоимости их изготовления. Нормализация крепежных и некоторых других деталей изделия способствует сокращению номенклатуры сборочных инструментов и более эффективному использованию средств механизации сборочных работ. Если, например, шестигранные головки крепежных винтов какого-либо узла свести к одному размеру, то вместо обычных гаечных ключей выгодно применять электрические или пневматические винтоверты. При большой номенклатуре винтов эффективность использования этих устройств снижается.

При конструировании машин нужно обеспечивать возможность удобного и свободного подвода высокопроизводительных механизированных инструментов к местам соединения деталей и предусматривать легкость захвата их грузоподъемными устройствами для транспортировки и установки на собираемое изделие.

В целях более полного соблюдения принципа взаимозаменяемости целесообразно избегать многозвенных размерных цепей; наличие последних приводит к сужению допусков на размеры составляющих звеньев. Если сократить число звеньев размерной цепи невозможно, то в конструкции изделия следует предусматривать жесткий или регулируемый компенсатор. В этом случае необходимую точность замыкающего звена легко обеспечить подбором или пригонкой, жесткого компенсатора или установкой на необходимый размер регулируемого компенсатора.

Для достижения требуемой точности взаимного положения элементов собираемого узла следует совмещать сборочные базы с измерительными, от которых задаются выдерживаемые при сборке размеры. Известно, что совмещение установочной и измерительной баз обеспечивает более высокую точность обработки. Аналогично этому надо стремиться к тому, чтобы и при сборке измерительная база могла быть использована в качестве установочной. Совмещение сборочной, измерительной и установочной баз обеспечивает, при всех прочих равных условиях, более высокую точность сборки.

Конструкция изделия должна предусматривать возможность его сборки без сложных приспособлений, предпочтительно с одной стороны (без поворота базовой детали), путем осуществления простых движений по установке сопрягаемых деталей, подводу и отводу сборочного инструмента.

Базовая деталь изделия (узла) должна иметь развитую установочную базу, обеспечивающую достаточную устойчивость собираемого объекта. Следует ограничивать совместную механическую обработку собираемых деталей, а также пригоночные и доделочные работы на сборке.

Для удобства разборки машины при ее обслуживании и ремонте необходимо предусматривать применение простых инструментов, съемников и других несложных приспособлений. Целесообразно предусматривать резьбовые отверстия для отжимных винтов, заменяющих съемники (рис, 3, а), отверстия для выколоток (рис. 3, б), рым-болты или литые выступы для подъема тяжелых деталей и узлов.

Кроме перечисленных общих требований необходимо учитывать частные условия сборки различных соединений. При сборке сопряжений с гарантированным зазором и натягом целесообразно предусматривать заходные фаски (рис. 3, в) на наружной и внутренней поверхностях, а также направляющие элементы (пояски) для устранения перекоса (рис. 3, г). Для облегчения сборки деталей по двум поверхностям, следует избегать параллельного, а выполнять последовательно-параллельное их соединение.

Поверхности сопряжения во избежание задиров нужно делать ступенчатыми. На рис. 3, д ширина пояска 1 больше ширины пояска 2 ( > ), поэтому палец при сборке сначала будет направлен пояском ), а затем войдет большей ступенью в поясок 2. Центровку деталей большого диаметра (крышки и фланцы) по цилиндрическим пояскам целесообразнее заменять центровкой по двум контрольным штифтам.

При сборке резьбовых соединений следует облегчать свинчивание (наживление) заходными фасками или направляющими элементами на резьбовых поверхностях (выточки, заточки). Следует по возможности предусматривать завертывание и затяжку крепежных деталей торцовыми ключами как более производительными. Для этой цели должно

быть предусмотрено достаточно большое расстояние от оси резьбового элемента до стенки корпусной детали (рис. 3, е). Расстояния между резьбовыми элементами должны быть достаточно большими для возможности использования многошпиндельных завертывающих устройств. Гайки, расположенные на внутренних поверхностях деталей, следует шплинтовать; гайки, расположенные на наружных поверхностях деталей, можно ставить с пружинными шайбами, что облегчает сборку. Надежное стопорение резьбовых деталей обеспечивается при наличии конической опорной поверхности у гаек и головок винтов, (рис. 3, ж), В этом случае отпадает необходимость шплинтовки и использования пружинных шайб.

При соединении деталей методом развальцовки или отбортовки следует обеспечивать удобство подвода рабочего инструмента в зону сборки. Предпочтительно сборку выполнять прямолинейным движением ( дорнование, отбортовка на прессе). На прочность и герметичность соединения, большое влияние оказывает качество материала деталей и точность обработки сопрягаемых поверхностей.

По конструктивному оформлению заклепочных соединений могут быть даны следующие рекомендации. Замыкающие головки заклепок формируют на более толстой детали или со стороны более прочного материала. При групповой клепке целесообразно применять закладные и замыкающие головки плоской формы. В этом случае поддержки и обжимки выполняют в виде плоских плит или планок. В соединениях из легких сплавов и неметаллических материалов следует применять заклепки из мягких (алюминиевых) сплавов во избежание деформации собираемых узлов. Следует ограничивать применение односторонней (и особенно двусторонней) потайной клепки из-за дополнительной обработки гнезд под головки заклепок и ослабления шва. В конструкциях с ограниченным двусторонним подходом можно применять специальные заклепки для односторонней клепки. В конструкциях узлов целесообразно предусматривать преимущественно прессовую, а не ударную клепку, как более производительную и качественную. Предпочтительнее также холодная клепка. Ее применяют для заклепок из алюминиевых и медных сплавов, а также для стальных заклепок диаметром менее 14 мм.

При оформлении конструкций паяных соединений нужно учитывать следующие соображения. Паяные швы не должны располагаться в местах переходов и концентрации напряжений. При выборе припоя следует учитывать, что медные припои способствуют возникновению трещин в основном материале в процессе пайки или при последующей сварке (если она предусматривается) около паяного шва. При нагреве узла индукционным методом необходимо предусматривать беспрепятственный подвод индуктора в зону пайки. На деталях узла не должно быть острых узлов и тонких стенок, как так при этом методе нагрева возможно их оплавление. Эти же недостатки возможны и при других методах местного нагрева. Возможно, кроме того, коробление узла, выгорание легкоплавких составляющих припоя и перегрев основного материала. В конструкции узла должны быть предусмотрены места для закладки припоя в виде колец, шайб или пластинок, или же канавки, в которые методом экструзии подается паста, состоящая из порошкообразного припоя и флюса. Во многих случаях общий нагрев узла дает лучшее качество соединения. Он может быть легко автоматизирован и применен для сборки сложных многошовных объектов методом ступенчатой пайки. При этом припои и температуру пайки выбирают так, чтобы при образовании последующих швов не происходило расплавление ранее выполненных. В конструкции узла должны быть правильно выбраны зазоры, предусмотрены временные скрепления деталей перед пайкой и базы для предварительной сборки, если пайка производится в приспособлении.

          Технологичность современных машин может быть повышена применением сварных конструкций, которые могут сочетать элементы различных видов — штампованные, кованые, литые и из проката. При переводе стальных отливок на штампосварные в ряде случаев достигается снижение веса на 20  30% и уменьшение объема последующей механической обработки на 3050%. Штампосварные (и паяные) узлы находят применение в серийном и массовом производствах. В тяжелом машиностроении применяют узлы, элементы которых получают свободной ковкой, литьем, или резкой из проката. После незначительной механической обработки или без нее элементы соединяют в единое целое электродуговой или электрошлаковой сваркой. В одном узле могут сочетаться элементы из различных материалов.

На практике встречаются следующие случаи применения сварных конструкций:

сварные конструкции после сварки не подвергаются обработке резанием, если их размеры по чертежу не оговорены допусками;

сварные конструкции после сварки подвергаются только чистовой обработке. Это достигается предварительной обработкой деталей конструкции под сварку, в результате чего обеспечивается их более точное положение в узле. Такое построение технологического процесса в условиях тяжелого машиностроения уменьшает загрузку станочного оборудования, которое часто является уникальным и лимитирующим пропускную способность цеха;

сварные конструкции, черновая и чистовая обработка которых производится после сварки (стыковой, дуговой, контактной). Этот вариант часто встречается в общем машиностроении, автомобилестроении и других отраслях.

Сложная деталь может быть получена из простых элементов, выполняемых горячей или листовой штамповкой, резкой сортового или специального проката. Примерами могут служить заготовки задних и передних мостов автомобиля, сварные корпусы редукторов, карданные валы и др. В отдельных случаях возможна замена литых станин металлорежущих станков (например, протяжных) штампосварными. При этом достигается уменьшение веса на 30% и снижение трудоемкости на 25%.

Общие технологические требования к сварной конструкции можно сформулировать в следующем виде.

При конструировании объекта учитывать общую схему технологического процесса, предусматривать применение наиболее рациональных и производительных методов сварки и предупреждать возможность получения брака. К таким методам сварки относятся контактная, автоматическая под флюсом, в среде защитных газов, электрошлаковая (для больших толщин).

Доводить объем сварочных работ до минимума путем уменьшения количества деталей в сварном узле заменой пакета тонких листов одним толстым (рис. 4, а), применять гибку взамен сварки (рис. 4, б). Заменять приваренные ребра жесткости выштампованными усилениями (рис. 4, в), применять минимально допустимые углы разделки кромок и соединения без скоса кромок, проектировать соединения без накладок и при минимальном сечении швов в результате применения электродов и присадочных материалов, обеспечивающих необходимую прочность соединений. Шире применять штампосварные и литейносварные конструкции. Для литых деталей применять сталь 15Л, 20Л или 25Л по ГОСТ 977—65.

Конструкции с большим количеством пространственно расположенных элементов целесообразно расчленять на отдельные узлы. При этом упрощается последующая общая сборка и сварка; снижается величина конечной деформации и повышается точность изготовления изделий. Предпочтительны сварные узлы, допускающие одновременную установку для сварки максимального количества деталей. Последовательная установка и сварка каждого элемента нежелательна, как мало технологичная и непроизводительная. При контактной сварке изделий п массовом производстве необходимо предусматривать возможность одновременной сварки всех точек. Следует шире применять горизонтальные швы, избегая вертикальных и особенно потолочных. Для сварки сложных узлов предусматривать возможность их кантования без или с помощью кантователей.

Снижать до минимума напряжения и деформации, вызываемые сваркой, путем: уменьшения количества сварных швов и объема наплавленного металла; симметричного расположения швов; недопущения скученного расположения швов и их пересечения; применения прерывистых симметричных швов или электрозаклепок в неответственных соединениях; устранения резких переходов в сечениях свариваемых узлов, расположения швов, допускающих предварительную сборку узла до начала его сварки; расположения швов не по одной прямой при сварке цилиндрических емкостей; закрепления элементов тонколистовых конструкций вблизи стыка; замены дуговой сварки другими видами сварки, дающими меньшую деформацию.

Предохранять обработанные поверхности деталей от повреждения при сварке путем размещения сварных швов на достаточном расстоянии от обработанных поверхностей. При сварке втулки (рис. 4, г) форма ее отверстия будет искажена. При сварке втулки с фланцем искажения формы отверстия можно избежать. При сварке окончательно обработанных деталей с жесткими требованиями к взаимному положению (пальцы, вилки—см. рис. 4, д ) их предварительную сборку рекомендуется производить по прессовой посадке  , а швы располагать преимущественно обратной стороны. Соединения внахлестку и с накладками не рекомендуются для деталей толщиной более 10 мм. Длину нахлестки не следует назначать менее четырех толщин свариваемых листов. При точечной сварке соотношение толщины свариваемых деталей рекомендуется принимать не более 2:1. В исключительных случаях оно может быть увеличено до 3:1. В соединении двух деталей должно быть не менее двух точек. Число деталей в свариваемом пакете больше трех не рекомендуется.

Размещать ответственные швы в удобных местах для выполнения сварки, визуального осмотра и специального контроля. Чем проще вид контроля, тем технологичнее сварная конструкция. В зависимости от применяемого метода сварки в каждом отдельном случае могут возникнуть частные требования, рассматриваемые подробно в специальной литературе.

В условиях автоматической сборки к конструктивному оформлению изделий предъявляют следующие дополнительные требования.

Детали изделия должны иметь простые симметричные формы. Это упрощает задачу ориентации при выдаче их из бункерно-ориентирующих устройств на рабочую позицию сборочного автомата. Конструкция деталей должна быть такой, чтобы при выдаче их из бункерных устройств не происходило их взаимного сцепления в виде цепочек. В конструкции изделий не должны предусматриваться сложные регулировочные работы. Следует в максимальной степени использовать унифицированные стандартные или нормализованные детали в целях большего применения однотипных исполнительных сборочных устройств. Целесообразно заменять разъемные соединения неразъемными (для неремонтируемых узлов), применяя методы сборки, основанные на пластическом деформировании (развальцовка, клепка и пр.). Сборка должна осуществляться простыми (преимущественно прямолинейными) движениями исполнительных устройств без поворота изделия. Для повышения надежности работы сборочных автоматов в ряде случаев целесообразно давать более жесткие допуски на детали изделия.

§ 7. ТРЕБОВАНИЯ К ИЗГОТОВЛЕНИЮ ДЕТАЛЕЙ ПРИ КОНСТРУИРОВАНИИ МАШИН

Возможность применения прогрессивных технологических методов определяется в ряде случаев конструкцией деталей машин. При их конструктивном оформлении нужно учитывать ряд технологических требований. Соблюдение этих требований уменьшает производственные трудности, сокращает цикл производства, повышает производительность труда и снижает себестоимость деталей машин. Эти требования диктуются как технологией производства заготовок, так и технологией их последующей обработки. Особое значение приобретают вопросы технологичности конструкции при обработке деталей на станках с программным управлением, агрегатных станках, автоматах и полуавтоматах, а также автоматических линиях.

Конструирование является творческим процессом, поэтому дать общие для всех случаев правила конструирования деталей машин не представляется возможным. Общие направления решения этой задачи можно сформулировать следующим образом.

Конфигурация детали должна представлять собой сочетание простых геометрических форм, обусловливающих возможность применения высокопроизводительных технологических методов и предусматривать удобную, надежную базу для установки заготовки в процессе ее обработки; в тех случаях, когда поверхности детали не обеспечивают такой базы, должны быть предусмотрены специальные элементы (приливы, бобышки, отверстия) для базирования и закрепления заготовки; при необходимости эти элементы могут быть удалены после обработки.

Заданные точность и класс чистоты поверхностей детали должны быть строго обоснованы ее служебным назначением. Необоснованно завышенные требования к точности и чистоте вынуждают вводить дополнительные операции, удлиняют цикл обработки, увеличивают трудоемкость процесса обработки и повышают себестоимость детали.

Стандартизация и унификация деталей и их элементов способствуют уменьшению трудоемкости процессов производства и снижению себестоимости деталей в связи с увеличением серийности выпуска и унификацией станочных наладок.

Требования к выполнению заготовок. Требования, предъявляемые к заготовительным процессам следующие.

В крупносерийном и массовом производствах применение специального профильного и периодического проката в значительной степени сокращает, а часто и исключает механическую обработку. Специальный профильный прокат как исходный материал уменьшает трудоемкость процесса горячей штамповки заготовок. Заготовки профильного сечения, не требующие обработки, получают на машиностроительном заводе методом холодного волочения из сортового проката.

При выполнении заготовок свободной ковкой желательны простые, симметричные и прямые формы. Следует избегать пересечений цилиндрических элементов между собой и цилиндрических элементов с  призматическими. Следует избегать ребристых сечений, бобышек и выступов на основных поверхностях поковки. Нежелательны конические и клиновые формы. Детали, сложная конфигурация которых не поддается упрощению в цельном виде, целесообразно заменять сварными конструкциями, состоящими из простых элементов.

При конструировании штамповок, получаемых на молотах и прессах, рекомендуется руководствоваться следующими указаниями.

Геометрическая форма заготовки должна обеспечивать возможность ее свободного извлечения из штампа. Выемки и углубления в заготовках могут выполняться только в направлении движения штампов. Боковые поверхности заготовки должны иметь штамповочные уклоны. В зависимости от отношения высоты стенки к ее ширине штамповочные уклоны принимают 515° для наружных и 715° для внутренних стенок при отсутствии выталкивателей. При наличии выталкивателей эти величины берут соответственно 210° и 312°.

Переходы от одной поверхности к другой должны осуществляться с закруглениями. Острые углы по условиям горячей штамповки недопустимы. Радиусы закруглений внутренних углов должны быть больше радиусов закруглений наружных углов во избежание брака при штамповании и в целях повышения стойкости штампа. В зависимости от высоты и отношения высоты к ширине элемента радиусы закруглений принимают 1,512,5 мм для наружных и 445 мм для внутренних углов.

Следует избегать форм заготовок, вызывающих боковое смещение штампов. Из-за несимметричных скосов заготовки (рис. 5, а) возникает сдвиг штампов и брак продукции. Целесообразно направление волокон в материале заготовки совмещать с ее продольной осью. Нежелательно перерезание волокон или изгиб их под малым радиусом. Конструкция детали должна, как правило, допускать разъем штампов по плоскости. Нежелателен разъем по ломаной или криволинейной поверх-

                                         

 ности. В плоскости разъема должны лежать наибольшие габаритные размеры заготовки (рис. 5, б). В этом случае получаются минимальные глубины полостей штампов и обеспечивается их наилучшее заполнение металлом.

Резкая разница в площадях поперечных сечений заготовки на различных участках ее длины не допускается, так как она затрудняет штамповку и сопряжена с повышенным браком по зажимам и незаполнению полости штампа.

Тонкие стенки штампуемой детали уменьшают стойкость штампа вследствие быстрого остывания и повышения сопротивления течению металла, обусловливают недоштамповку и повышение брака. Тонкие элементы детали, примыкающие к плоскости разъема, обусловливают большой отход металла и повышенный брак по  незаполнению полости штампа (рис. 5, в). Рекомендуется принимать для штамповок из стали D 12s и D15s для штамповок из алюминиевых и магниевых сплавов.

Симметричная форма детали относительно плоскости разъема и симметричные уклоны выступающих стенок упрощают изготовление штампов и процесс штамповки, снижают расход металла на напуски и брак, связанный со смещением штампов.              Выступы и ребра не должны быть близко расположены друг к другу, гак как это затрудняет течение металла и заполнение полостей штампа.

Размеры бобышек, в которых производится сверление и последующая обработка отверстия, определяют исходя из минимальной толщины стенки после обработки отверстия to возможного смещения штампов.

Детали цельной конструкции в ряде случаев можно заменять сварными узлами в целях экономии металла и упрощения штамповки; например, сварной узел на рис. 5, г вместо цельноштампованной заготовки дает значительную экономию металла и упрощает штамповку. Однако в каждом конкретном случае необходимо проверять целесообразность такой замены. Иногда целесообразно сочетание штампованной заготовки и проката (пруток, труба), соединяемых в единое целое стыковой или шовной сваркой.

При  конструировании  поковок,  штампуемых  на  горизонтально ковочных  машинах,   рекомендуется   руководствоваться  следующими соображениями.

На горизонтально-ковочных машинах можно штамповать разнообразные по конфигурации заготовки; чаще всего они представляют собой тела вращения правильной геометрической формы с фланцами, сквозными или несквозными отверстиями. Толщина стенок деталей с глубокими сквозными или глухими отверстиями должна составлять не менее 0,15 наружного диаметра детали.

Сужения в продольном сечении детали затрудняют течение металла при штамповании, поэтому их следует избегать. Хвостовики конической формы также затрудняют штампование, предпочтительно их делать цилиндрическими. Объем фланцев на конце или посередине детали не должен превышать объема стержня данного диаметра d при длине стержня 1012 d.

Штамповочные уклоны этого вида поковок могут быть очень небольшими: 0,5° на высаживаемых в полости пуансона цилиндрических участках поковки длиной более половины их диаметра, 0,51,5° на буртах, формируемых в круговых впадинах матриц, 0,53° на стенках глухих отверстий длиной пять и более диаметров.

Переходы от одной поверхности к другой должны осуществляться с закругленными радиусом 1,52 мм.

Для холодной высадки применяют калиброванный пруток. Высаживаемые элементы должны иметь по возможности простую форму при минимальных объеме и диаметре. В целях повышения стойкости холодновысадочных штампов не следует без необходимости уменьшать допуски на размеры высаживаемых элементов. Переходы от одной поверхности к другой должны осуществляться с закруглениями радиусом не менее 0,2 мм.

Листовую штамповку производят из ленты, полосы и листа. Ленту обычно применяют для деталей толщиной 22,5 мм, полосу — для деталей толщиной до 10 мм, лист — для деталей больших габаритов. Ребра жесткости, отбортовки и другие конструктивные элементы на штампованных деталях позволяют в ряде случаев уменьшить толщину материала. Применением сварки можно также получить значительную экономию материала (см. рис. 6 и 7, а).

Конфигурация детали должна обусловливать минимальный отход металла при раскрое. Для этого контур одной стороны детали по возможности должен быть точной копией другой ее стороны; на рис. 7, б приведен пример рационального и нерационального раскроя материала.

Минимальные размеры пробиваемых отверстий в зависимости от их формы (круглое , квадратное, прямоугольное) составляют при пробивке мягкой стали 1,0— 0,7, титановых сплавов 2,0—1,75, латуни и меди 0,9—0,6, и цинка 0,8— 0,5, бакелита и текстолита 0,7—0,4, картона и бумаги 0,6—0,3 толщины листового материала.

               

                        Рис.6                  

        Расположение отверстий от контура детали и от соседних отверстий и вырубок принимают для мягкой стали 0,7—1,5 толщины материала. Расстояния от края   отверстия   до   стенки у изогнутых и вытянутых деталей

где R — радиус сопряжения стенки с поверхностью, в которой пробивается отверстие; s — толщина материала.

Минимальная ширина детали должна быть для мягкой стали в 1,5 раза больше толщины материала.

Предельные отклонения размеров сопрягаемых штампованных деталей (диаметры и длины) следует назначать . Предельные отклонения несопрягаемых размеров следует назначать А8 A9 с двусторонним расположением поля допуска. Повышенная точность штампованных деталей (2  3-й класс точности) может быть получена введением операции чистовой штамповки или зачистки. Шероховатость поверхности среза достигается от 5 до 1-го класса для толщин материала от 1 до 5 мм.

При гибке в штампах высота прямой части отгибаемых стенок должна быть больше удвоенной толщины материала. Меньшая высота может быть получена при наличии выдавленной канавки у отгибаемой стенки или последующей механической обработкой.

      При гибке в штампах угольников и скоб размер полки в зависимости от толщины s материала может быть выполнен со следующими отклонениями :

При вытяжке деталей со значительными по размерам плоскими поверхностями во избежание местных выпучин следует предусматривать на этих поверхностях удлиненные и пересекающиеся ребра жесткости. Сложные трудно выполнимые вытяжкой формы следует расчленять на простые элементы с последующим соединением их сваркой или пайкой.

        При гибке под углом  90° минимальный радиус изгиба определяют по формуле

r = ks.

Значение k для стали 2,0-0,5; нержавеющей стали -1,0; титановых сплавов 2,0-3,5; латуни 0,3-0,5; алюминия -0,35.

При конструировании отливок конструктор должен решить следующие вопросы: выбрать способ литья, определить положение отливки в форме, выбрать плоскость разъема, установить количество и расположение стержней, назначить толщину стенок отливки. Способ литья выбирают с учетом материала детали, ее конфигурации, требуемой точности, программы выпуска и срока выполнения заказа. Во многих случаях основными наиболее сложными и дорогими в исполнении деталями машин являются отливки. Поэтому выбор способа литья является важной и ответственной задачей. При решении перечисленных вопросов рекомендуется пользоваться следующими указаниями.

Если принять среднюю себестоимость изготовления отливок из серого чугуна за 1,0, то для других материалов эта величина составит: ковкий чугун — 1,3; углеродистая сталь —1,6; цветные сплавы 3,0—6,0. Конфигурация отливки должна обеспечивать возможность беспрепятственного извлечения модели из формы и стержней из стержневых ящиков. С этой целью необходимо предусматривать формовочные уклоны вертикальных поверхностей отливки, выбирая их величину в зависимости от высоты поверхности (ГОСТ 3212—57). Для внутренних поверхностей отливок принимают уклон большей величины, чем для наружных. Следует по возможности избегать отъемных частей модели и сложных поверхностей разъема.

Необходимо учитывать положение поверхностей при заливке и избегать значительных по размерам горизонтальных поверхностей, занимающих при заливке верхнее положение, так как на этих плоскостях могут возникать газовые раковины.

Следует обращать внимание на беспрепятственное заполнение формы жидким металлом, избегая резких изменений направления и скорости его течения.

При конструировании отливки следует учитывать явления ее усадки, механического торможения, создаваемого формой и стержнями, и термического торможения, возникающего вследствие разной скорости остывания частей отливки. Торможение усадки вредно, так как оно вызывает образование остаточных напряжений в отливке.

Необходимо предусматривать по возможности равномерное охлаждение всех сечений отливки и допускать ее свободную усадку; с возникновением остаточных напряжений связаны коробление отливок и возможность появления трещин.

Конфигурация отливки должна обеспечивать возможность беспрепятственного отрезания прибыли, литников и выпоров, выбивки стержней и удаления каркасов.

На чертежах отливок следует отмечать базовые поверхности, которыми будут пользоваться при механической обработке заготовок; эти поверхности используют также при проверке моделей и отливок. Базовые поверхности должны образовываться моделью и находиться в одной опоке в целях исключения влияния на их точность смещений опок и стержней.

При назначении толщины стенок отливок необходимо учитывать размер и вес отливки, применяемый для литья металл и метод литья. Определение толщины стенки расчетом по действующим нагрузкам не всегда дает нужный результат. В малонагруженных местах стенка получается тонкой и ее толщину приходится увеличивать до определенного технологического минимума. С увеличением толщины стенки отливки из серого чугуна прочность материала всегда понижается. Для отливок из серого чугуна в песчаные формы минимальную технологически допустимую толщину стенки ( мм ) можно определять по формуле

s=(L/200)+4,

где L — наибольший габаритный размер отливки, мм.

Внутренние стенки отливки должны быть на 20% тоньше наружных стенок.

В одной отливке рекомендуется по возможности предусматривать галтели одного радиуса или ограничивать в максимальной степени число радиусов, различных по величине. Резкие изменения сечений и острые углы в отливке недопустимы. Переходы от одного сечения к другому должны быть плавными. Радиусы переходов при сопряжениях в одной стенке и угловых сопряжениях двух или трех стенок зависят от толщины сопрягаемых стенок. При местном скоплении металла (рис. 8, а) возможно образование пор, раковин и трещин в отливке.

Ребра жесткости располагают перпендикулярно к плоскости разъема формы (рис. 8, б). В местах перехода от толстой стенки к тонкой ставят литейные ребра. Их толщина составляет 0,5—0,6 от толщины тонкой стенки. Радиусы закругления сопрягаемых поверхностей принимают 2—120 мм в зависимости от габаритных размеров поверхностей и углов сопряжения. При конструировании отливок нужно учитывать ход процесса затвердевания и кристаллизации металла. На рис. 8, в показано направление кристаллизации при правильной (внизу) и неправильной конструкции детали. В отливках из сплавов, имеющих большую усадку, необходимо, чтобы затвердевание происходило снизу вверх  в сторону прибыли.

При конструировании литых углов необходимо учитывать, что скорость затвердевания внешних углов больше, чем внутренних. Тепловые потоки, идущие перпендикулярно к стенкам отливки, у внутренних углов пересекаются, создавая «горячее место», замедляющее остывание. В вершине угла толщину берут на 20—25% меньше толщины сопрягаемых стенок.

Внутренним полостям отливок желательно придавать конфигурацию, не требующую применения стержней (рис. 8, г, д, е). Это очень важно, так как стержневые работы при изготовлении форм являются наиболее трудоемкими. Соединение двух стержней (рис. 8, ж) устраняет применение жеребеек. Соотношения в размерах внутренних полостей, образуемых частями формы без применения стержней, зависят от положения этих полостей в форме.

При машинной формовке размеры полостей, образуемых частями формы, расположенными в нижней опоке (рис. 8, з) принимают H  D;

полости, образуемые частями формы в верхней опоке, должны иметь h  0,3d; при ручной формовке принимают H  0,5D и h  0,15d. Размеры H, D, h и d видны из рисунка. При значительном числе полостей, образуемых стержнями, следует стремиться к их унификации. При длине стержня, превышающей его удвоенный диаметр форма полости должна предусматривать возможность крепления стержня в обоих концах. Размеры полостей и диаметры отверстий, образуемых стержнями, должны позволять применение металлических упрочняющих каркасов.

Конструкция отливки должна обусловливать возможность удаления из внутренних полостей стержневой смеси и каркасов, а также тщательной очистки внутренних полостей. В закрытых внутренних полостях должны быть предусмотрены специальные усиленные бобышками отверстия для удаления стержневой смеси; после очистки эти отверстия заделываются заглушками.

Наименьшие высоты бобышек рекомендуется принимать 5 мм при габаритах детали до 0,5 м, 10—15 мм — от 0,5 до 2 м и 20—25 мм — свыше 2 м.

При литье в кокиль толщины стенок площадью до 30 см2 можно брать: для силуминов —3 мм, для стали 8—10 мм, для серого чугуна (без отбела) 15 мм. Толщину внутренних стенок и ребер рекомендуется брать 0,6—0,7 толщины наружных стенок.

При литье по выплавляемым моделям можно получить сложные наружные формы заготовок с минимальной толщиной стенок 1—2 мм и минимальным диаметром отверстий 2 мм. Из-за малой жесткости керамической корки следует избегать в заготовках плоскостей большой протяженности.

Требования к механической обработке. Общие требования, предъявляемые технологией механической обработки к конструктивному оформлению деталей машин, можно сформулировать следующим образом.

Сокращать объем механической обработки, уменьшая протяженность обрабатываемых поверхностей. Предусматривать допуски на размеры детали лишь для посадочных поверхностей, оставляя свободными остальные размеры. Повышать точность выполнения заготовок имея в виду, что при точных методах выполнения заготовок объем механической обработки может быть значительно сокращен.

Обеспечивать удобные и надежные базирующие поверхности для установки заготовок в процессе их обработки и простановкой размеров предусматривать совмещение установочных и измерительных баз. Предусматривать возможность удобного и надежного закрепления заготовки на станке.

Обеспечивать достаточную жесткость детали, обусловливающую восприятие сил резания и закрепления без ощутимых деформаций. При обработке маложестких деталей приходится снижать режимы резания и, кроме того, затруднено одновременно использовать несколько режущих инструментов путем совмещения переходов.

Предусматривать возможность удобного подвода высокопроизводительного режущего инструмента к обрабатываемой поверхности. Сокращать путь врезания инструментов. Предусматривать возможность удобного и эффективного технического контроля обрабатываемых заготовок.

Предусматривать свободный выход режущего инструмента при обработке на проход (рис. 9, а, размер A). Конструировать детали с учетом возможности одновременной установки нескольких деталей для обработки (рис. 9, б).

Технологические требования к элементарным поверхностям деталей машин.

Наружные поверхности вращения. Широко применять высадку головок, фланцев, буртов для уменьшения объема механической обработки и расхода металла. По возможности унифицировать элементы тел вращения, в целях использования одних и тех же многорезцовых наладок при их обработке (рис. 10, а). Рекомендуется заменять галтели фасками (рис. 10, б), оформлять сферические вы-1уклые поверхности со срезом перпендикулярно к оси (рис. 10, в) з местах точного сопряжения поверхностей предусматривать выход инструмента (рис. 10, г).

Отверстия. Предусматривать сквозные отверстия, так как их обработка значительно легче обработки глухих отверстий. Конфигурация глухих отверстий должна быть увязана с конструкцией применяемого осевого инструмента, например зенкера (рис.

11, а) или развертки (рис. 11, б). Ось отверстия должна располагаться от вертикальной стенки детали не ближе определенного расстояния

                                                 

(рис. 11, в),а для отверстий под соединительные болты

                                                     

где D — диаметр отверстия;  — диаметр описанной окружности гайки; R — радиус галтели в месте перехода от стенки к горизонтальной плоскости.

Расстояния между отверстиями назначать с учетом возможности применения многошпиндельных сверлильных головок. Унифицировать расположение и размеры отверстий во фланцах в целях применения многошпиндельных головок. Количество отверстий во фланцах выбирать таким, чтобы можно было сверлить их нормальной трех- или четырех шпиндельной головкой с последовательным поворотом. Во избежание поломки сверл при сверлении входная и выходная поверхности должны быть перпендикулярными к оси отверстия (рис. 11, г). Для одновременной обработки нескольких отверстий расположенных на одной оси, рекомендуется последовательно уменьшать размеры отверстий на величину, превышающую припуск на обработку предшествующего отверстия (ступенчатое расположение отверстий).

При сверлении отверстий в пазах назначать их диаметры меньше ширины пазов на  0,5 — 1 мм. Избегать конических отверстий в деталях, не представляющих собой тела вращения. Конструкция вогнутой сферической поверхности должна предусматривать сквозное или глухое отверстие, чтобы при обработке ее не было нулевых скоростей резания (рис. 12, а).

Рекомендуется избегать канавок в отверстиях, обрабатываемых на сверлильных и агрегатных станках, так как это усложняет обработку, а также избегать применения механически обрабатываемых выточек, предусматривая взамен них литые поверхности (рис. 12, б) глубиной t не менее 1—1,5 мм.

Р е з ь б а. Рекомендуется на нарезаемом отверстии применять заходную фаску. Размеры сбега резьбы, нарезаемой метчиком в глухом отверстии без канавки, должны устанавливаться в три нитки для деталей из чугуна и в пять ниток для деталей из стали. При  резьбофрезеровании наличие канавок для выхода фрезы необязательно.


         Резьба должна быть нормализована не только для данной машины, но и для всего завода или данной отрасли промышленности. Следует избегать применения резьб малого диаметра (6 мм) в крупных деталях ввиду частой поломки метчиков при механическом нарезании таких резьб. При нарезании резьбы на концах валиков предусматривать сбег резьбы.

Плоскости. Конфигурация обрабатываемых плоскостей в плане должна обеспечивать равномерный и безударный съем стружки. Ширину плоскостей необходимо увязывать с нормальным рядом диаметров торцовых или длин цилиндрических фрез. Предпочтительна обработка плоскостей на проход (рис. 13, а снизу). В случае, когда не предусмотрен выход для режущего инструмента, переходная часть обрабатываемых

плоскостей должна соответствовать размерам и виду поверхности режущего инструмента (рис. 13, а сверху). Плоскости бобышек и платиков на деталях следует располагать на одном уровне (рис. 13, б). Избегать обработки закрытых площадок (внутри корпусных деталей). Обрабатываемые плоскости желательно располагать выше примыкающих элементов (ребер, выступов) (рис. 13, в), это облегчает обработку на проход.

Ф а с о н н ы е поверхности. Радиусы вогнутых и выпуклых поверхностей увязывают с размерами нормальных фрез.

   Пазы и  г н е з д а. Пазы должны по возможности допускать обработку на проход. При невозможности обработки на проход переходная часть паза должна соответствовать радиусу дисковой фрезы. Глубину и ширину пазов выбирают в соответствии с размерами нормальных пазовых фрез. Предпочтительны пазы, обрабатываемые дисковыми, а не концевыми фрезами (рис. 13, г). Радиусы закругления у основания гнезд должны быть одинаковыми по всему периметру и соответствовать размерам и геометрии нормальных пазовых фрез.

Приведенные правила и рекомендации носят общий характер. Для деталей, обрабатываемых на станках с программным управлением, агрегатных станках и автоматических линиях существуют дополнительные рекомендации, учитывающие специфику данной обработки. Эти рекомендации приводятся в специальной литературе.

§ 8. ТРЕБОВАНИЯ К ТЕРМИЧЕСКОЙ И ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ

Этот вид обработки, проводимой на начальной, промежуточной и заключительной стадиях процесса изготовления деталей, позволяет повысить их надежность и долговечность в несколько раз. Это достигается улучшением общих свойств металла, а также поверхностным упрочнением деталей, в результате чего значительно уменьшается их износ,

Детали подвергаемые термической обработке должны иметь простые геометрические формы и симметричную конфигурацию без острых граней, тонких перемычек и резких переходов от толстого сечения к тонкому. Перед термической обработкой на деталях нежелательно иметь прорези, отверстия и канавки, в зоне которых могут возникнуть напряжения и трещины при нагреве и охлаждении. Шероховатость поверхностей деталей, подвергаемых закалке, должна быть не ниже 4-го класса. При грубой обработке и наличии дефектов (раковины, волосовины, плены и др.) возможно образование трещин и разрушение детали. Наличие обезуглероженного поверхностного слоя и следов окалины приводит при закалке к неравномерной и заниженной твердости.

В деталях, закаливаемых токами высокой частоты, толщина закаленного слоя должна быть больше глубины имеющихся кольцевых выточек, галтелей и других надрезов. В противном случае усталостная прочность деталей снижается и они разрушаются по выточке. Следует избегать выхода закаленного слоя в опасную (нагруженную) зону детали. В этой зоне может произойти разрушение детали в результате суммирования рабочих напряжений с напряжениями в закаленном слое. Для предупреждения оплавления кромок на торцах деталей и в отверстиях следует предусматривать фаски. Резьбы на деталях, подвергаемых химико-термической обработке, рекомендуется не калить, так как они получаются повышенной твердости и хрупкими. В опасных зонах (тонкие стенки и перемычки) следует назначать местную химико-термическую обработку для предупреждения трещин при закалке. Сложные, склонные к короблению, детали рекомендуется выполнять из легированных сталей, закаливающихся в масле или на воздухе.

Изложенные технологические требования к конструктивному оформлению деталей машин иллюстрирует необходимость увязки их конструкции с технологией производства.

Разработка разнообразных и в особенности сложных конструкций деталей машин, полностью отвечающих производственным условиям, часто связана с технологическими задачами, решение которых по силам только специалистам в различных областях технологии (обработка давлением, литейное производство, механическая обработка и т.п.). Поэтому в процессе конструирования деталей машин целесообразна и необходима консультация соответствующих специалистов-технологов.

§ 9. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПЛАСТМАСС

          Изготовление деталей из пластмасс производят прессованием исходных материалов в виде порошков или таблеток с применением или без применения арматуры или волокнистых наполнителей; литьевым методом на прессах или в специальных литьевых машинах; методом экструзии для получения прутков, полос, труб и специальных профилей; пневмо- и вакуумформованием из листового термопласта в нагретом до пластического состояния виде; штампованием из подогретых листов текстолита, гетинакса и других материалов типа термопластов и слоистых пластиков. Механической обработке подвергают детали, получаемые из прутков, труб и другого профильного материала, а также прессованные и литые детали. В последнем случае выполняют в основном отделочные и вспомогательные операции.

При конструировании деталей из пластмасс следует руководствоваться следующими основными соображениями. Детали по возможности должны иметь простую конфигурацию в целях легкого извлечения их из пресс-форм.

Иметь минимальную механическую обработку. Необходимо обеспечивать минимальный вес при наибольшей прочности деталей. В деталях не должно быть резких переходов в сечениях и толщинах стенок. Разностенность, предусмотренная в конструкции детали, не должна быть больше 30%.

Величины уклонов принимают 1: 100 (для наружных поверхностей) и 1,5:100 (для внутренних поверхностей)., Эти значения рекомендуются для деталей малых размеров (10  15 мм). С увеличением размеров деталей уклоны следует уменьшать в 23 раза. Необходимо избегать поднутренний в конструкциях деталей, так как это усложняет пресс-формы и ухудшает условия прессования. Толщину стенок назначают в зависимости от размера детали. Для порошкообразных фенопластов ее можно брать в пределах 1  6,5 мм; для аминопластов 1  3,5; для волокнистых пластмасс 1,5  8 мм. Острые углы в деталях заменяют плавными скруглениями. Это способствует облегчению течения материала в пресс-форме, увеличивает прочность детали и устраняет опасность возникновению трещин.

Для повышения прочности детали и уменьшения ее коробления предусматривают ребра жесткости. Их толщину рекомендуется брать в пределах 0,6  0,8 толщины примыкающей стенки. Направление ребер должно совпадать с направлением прессования. Открытые торцы деталей целесообразно усиливать буртиками. Это предохраняет деталь от растрескивания. Буртики располагают по всему периметру торца без разрывов.

При наличии отверстий в пластмассовой детали минимальную толщину перемычки следует брать при диаметре отверстий 2,5 мм не менее 0,5 мм, а при диаметре отверстий 18 мм не менее 2,5 мм. Минимальное расстояние от края детали до стенки отверстия для тех же диаметров рекомендуется соответственно 1,0 и 4,5 мм.

Резьбу в пластмассовых деталях можно получать прессованием (при использовании металлических резьбовых стержней в прессформе), нарезанием метчиками, а также путем выполнения их в металлических вставках, которые заливаются в тело пластмассовой детали. При наличии резьб в пластмассовой детали длина свинчивания берется в 1,5  2,5 раза больше номинального диаметра резьбы. Резьбы диаметром менее 3 мм в пластмассовой детали рекомендуется получать механическим путем. Арматура в пластмассовых деталях (втулки, стержни, усиливающие вставки) должна иметь высоту не менее двух ее диаметров в целях повышения прочности ее посадки.

Точность размеров пластмассовых деталей рекомендуется назначать в пределах 57го классов, В отдельных случаях она может быть повышена до 4-го класса. Шероховатость поверхностей для деталей из термопластов может, назначать в пределах 7  12-го классов по ГОСТ 2789—73 и для деталей из термореактивных пластмасс в пределах 5  7-го классов. Более подробные рекомендации по конструированию пластмассовых деталей даны в ОСТ 8476—69.

Г Л А В A III

ТОЧНОСТЬ В МАШИНОСТРОЕНИИ

§ 10. ЗНАЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ И ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ПОГРЕШНОСТИ УСТАНОВЛЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ  ОБЕСПЕЧЕНИЕ НЕОБХОДИМОЙ ТОЧНОСТИ

Под точностью в технологии машиностроения понимается степень соответствия производимых изделий их заранее установленному прототипу или образцу. Чем больше это соответствие, тем выше точность. На всех этапах технологического процесса изготовления машин неизбежны те или иные погрешности, в результате чего достижение абсолютной точности практически невозможно.

Погрешности, возникающие на различных этапах технологического процесса, взаимосвязаны. Точность сборки машины зависит от точности изготовления ее  деталей. Последняя, в свою очередь, зависит от точности изготовления заготовок, поскольку их свойства в определенной степени наследуются готовыми деталями. Поэтому вопросы точности должны решаться не изолированно, а комплексно для всего технологического процесса.

Точность и качество готовых машин во многом зависит от качества исходных материалов, полуфабрикатов и комплектующих изделий, поступающих со смежных предприятий. Таким образом, вопросы качества машин не могут полностью решаться на данном, конкретном предприятии, а перерастают в большую народнохозяйственную проблему. Специализация и кооперирование производства должны способствовать ее полному решению.

Точность в машиностроении имеет большое значение для повышения эксплуатационных качеств машин и построения технологического процесса их изготовления Увеличение скорости и удельных нагрузок может быть достигнуто повышением точности обработки деталей. Зубчатые колеса, изготовленные с незначительной точностью, не могут работать при высоких скоростях, так как при этом в передаче возникают дополнительные ударные нагрузки. Точность работы делительного механизма целиком зависит от точности изготовления деталей делительной цепи (делительных дисков, зубчатых колес и пр.). С повышением точности увеличивается долговечность и надежность машин, а это в свою очередь сокращает издержки на обслуживание, простой и ремонт машин, находящихся в эксплуатации. Известно, что все расходы на ремонт и восстановление работоспособности машин нередко в несколько раз превышают стоимость. С повышением надежности машин можно уменьшить их выпуск для народного хозяйства и соответственно высвободить производственные мощности машиностроительных заводов. На рис. 14, а кривая 1 выражает общий характер влияния качества изготовления (долговечности) подшипников качения на расходы   С, связанные с ремонтом зубчатых редукторов и вынужденным простоем машины (трактора, станка, двигателя), в состав которой они входят; кривая 2 выражает зависимость стоимости подшипников от их качества; кривая 3 характеризует влияние качества подшипников на суммарные расходы. Из рисунка видно, что издержки эксплуатации машин сильно зависят не только от качества изготовления их основных деталей, но и от качества изготовления таких комплектующих изделий, какими являются подшипники качения.

          Повышение точности изготовления заготовок снижает трудоемкость последующей механической обработки и сокращает расход материала из-за уменьшения припусков на ее выполнение. Повышение точности механической обработки сокращает трудоемкость сборки машин благодаря частичному или полному устранению пригоночных работ. Повышение точности способствует достижению взаимозаменяемости элементов машин. Взаимозаменяемость в свою очередь обеспечивает возможность поточной сборки и быстроты ремонта машин, находящихся в эксплуатации.                                                                                                                        

         За последние 25—30 лет точность машиностроительного производства заметно возросла .Так, допуски на изготовление деталей основных сопряжений автомобильных двигателей сократились в связи с увеличением быстроходности, мощности и моторесурса примерно в 1,5—2 раза. Многие детали изготовляются теперь с микронной точностью. Высокие требования предъявляют к точности изготовления продукции станко-инструментальной промышленности. Отдельные детали прецизионных станков приходится изготовлять с точностью до десятых долей микрона. Важным условием производства машин на современном этапе является не только надежное обеспечение необходимой точности, но и сохранение ее на заданный срок эксплуатации машин.

Особое значение имеют вопросы точности при автоматизации производства. В этом случае необходимое качество продукции должно получаться не вследствие искусства рабочего, а в результате устойчивой и надежной работы технологического оборудования. С развитием автоматизации производства проблема получения продукции стабильного качества становится все более актуальной. Ее решение должно базироваться на глубоком исследовании технологических факторов, влияющих на точность, тщательном изучении условий работы оборудования и оснастки, а также на изыскании новых прогрессивных технологических методов.

При решении вопросов точности  в машиностроении: устанавливают необходимую точность изготовления машины и ее элементов, исходя из предъявляемых к ней требований и функционального назначения, определяют необходимые методы и средства технического контроля производимой продукции на базе заданной точности изготовления*; обеспечивают заданную точность изготовления машины и ее элементов соответствующим построением технологических процессов, выполняя требование экономичности; устанавливают технологические допуски на промежуточные размеры заготовок и допуски на вспомогательные базы для выполнения операций механической обработки; определяют фактическую точность при лабораторных и производственных исследованиях действующих или новых технологических методов и процессов; выявляют причины невыдерживания заданной точности в производственных условиях и изыскивают пути ее повышения с разработкой соответствующих мероприятий. Первая задача решается конструктором, а последующие технологом при проектировании новых, отладке внедряемых и исследовании действующих технологических процессов. Установление заданной точности является ответственным этапом работы конструктора. Она устанавливается на основе анализа условий работы машин с учетом экономики их изготовления и последующей эксплуатации. Задача решается на базе теоретических и экспериментальных данных с учетом опыта эксплуатации машин аналогичного типа.

В зависимости от того, какие требования нужно выдержать, подход к решению вопроса точности может быть различным. При изготовлении точного технологического оборудования установление допустимых отклонений может быть выполнено на основе геометрических расчетов. Для быстроходных машин расчеты точности следует делать с учетом динамических явлений. Для подвижных соединений нужно учитывать условия смазки контактирующих поверхностей, а для соединений с гарантированным натягом обязательна проверка по сдвигающим усилиям и моментам. Учитывают также тепловые явления, требования взаимозаменяемости, качество поверхностей сопряженных деталей, условия сборки и ремонта, допустимый износ, определяющий продолжительность работы машины до ее ремонта. Однако излишне высокая точность увеличивает издержки производства машин и обычно не повышает их функционального качества. При жестких допусках, т. е. с повышением точности изготовления машины возрастает трудоемкость Т и себестоимость С ее изготовления (рис. 14, б), причем себестоимость возрастает быстрее трудоемкости. Для каждого конкретного случая имеется оптимальное решение по назначению необходимой точности.

Рассмотрим несколько общих примеров для иллюстрации изложенных положений. На рис. 14, в показан график для определения оптимального допуска на зазор 6$ между плунжером и цилиндром гидравлической машины. Кривая Q характеризует изменение эксплуатационных расходов за установленный срок службы машины, вызываемых утечками жидкости и трением в плунжерной паре и влияющих на к. п. д. машины, от 6s. Кривая С2 характеризует изменение себестоимости изготовления плунжерной пары от той же величины. Складывая геометрически обе кривые, получим результирующую кривую С, минимум которой соответствует наивыгоднейшему допуску на зазор.

На рис. 14, г показан график изменения эксплуатационных расходов при работе сопряжения поршневой палец-шатун быстроходного двигателя в зависимости от срока его работы. Линия 1 характеризует изменение расходов для сопряжений, выполненных с малой точностью (большим допуском на размер), а линия 2 — с более высокой точностью. По оси ординат отложены себестоимости изготовления сопряжений. Отрезок с  выражает расходы на ремонт и запасные части, а отрезок b — расходы, связанные с простоем двигателей за время их ремонта. Срок службы сопряжения сильно зависит от точности его выполнения. Поэтому на линии / показаны два ремонта сопряжения, а на линии 2 один. Из графика видно, что за установленный срок эксплуатации более точное сопряжение экономически выгодно.

Отсутствие методик и расчетных данных затрудняет применение аналитического метода установления точности. Нередко допуски устанавливают на основе специально поставленных экспериментов и более или менее длительных испытаний опытных образцов. В результате сбора и систематизации материалов по точности создаются нормативы для данного типа машин и данных производственных условий.

Рассмотрим подробнее точность механической обработки и сборки, технологические факторы, влияющие на точность, и методы ее технологического обеспечения.

Точность механической обработки. У различных деталей обработке подвергают комплекс взаимосвязанных поверхностей. При анализе механической обработки различают точность выполнения размеров, формы поверхностей и их взаимного расположения.

Точность выполнения размеров отдельных поверхностей детали (диаметр цилиндрической поверхности, глубина отверстия, угол конуса и пр.) регламентируется допусками, проставляемыми на рабочих чертежах деталей.

Под точностью формы поверхностей понимают степень их соответствия геометрически правильным поверхностям, с которыми они отождествляются. Отклонения формы весьма многообразны. Цилиндрическая поверхность может иметь небольшую конусность, некруглость поперечного сечения, искривление оси. Плоскость может иметь небольшие выпуклости, вогнутость и другие отклонения формы. Отклонения формы сопряженных поверхностей имеют часто большее значение для работы деталей в механизме, чем погрешности их размеров. Допускаемое отклонение формы поверхности нередко задается частью допуска на ее размер. При обработке шеек валов допустимая овальность и конусность на всей их длине обычно составляет не более половины допуска на диаметральный размер. Предельные отклонения формы для плоскостей и цилиндрических поверхностей приводятся в ГОСТ 10356—63.

К погрешностям взаимного расположения поверхностей деталей относят несоосность участков ступенчатого вала, непараллельность противолежащих граней плит или планок, неперпендикулярность оси цилиндрической поверхности к ее торцу, погрешности расположения отверстий в корпусных деталях и пр.

Предельные отклонения от параллельности и перпендикулярности, предельные значения торцового и радиального биения приведены в ГОСТ 10356—63. Допускаемые отклонения расположения поверхностей часто устанавливают на основе опытных данных, полученных в результате обобщения материалов по эксплуатации машин.

Общая (суммарная) погрешность обработки является следствием влияния ряда технологических факторов, вызывающих первичные погрешности. К их числу относят: погрешности, вызываемые неточной установкой обрабатываемой заготовки на станке; погрешности обработки, возникающие в результате упругих деформаций технологической системы станок—приспособление—заготовка — инструмент под влиянием сил резания; погрешности, возникающие под влиянием сил закрепления заготовки; погрешности, вызываемые размерным износом режущего инструмента; погрешности настройки станка; погрешности, обусловливаемые геометрическими неточностями станка (и в некоторых случаях приспособления); погрешности, вызываемые неточностью изготовления инструмента; погрешности обработки, возникающие в результате тепловых деформаций технологической системы. Возникают также Погрешности от действия остаточных напряжений в материале заготовок и готовых деталей. Они достигают больших значений при малой жесткости обрабатываемых заготовок.

Заданная точность может быть обеспечена различными технологическими методами. В единичном производстве она обеспечивается индивидуальной выверкой устанавливаемых на станок заготовок и последовательным снятием стружки пробными проходами, сопровождаемыми пробными промерами. Точность обработки при этом зависит от квалификации рабочего. В условиях серийного и массового производств точность обеспечивается методом автоматического получения размеров на предварительно настроенном станке. Установку заготовок осуществляют без выверки в специальные приспособления на заранее выбранные базовые поверхности. При большой партии заготовок этот метод более производителен, так как обработка ведется за один проход, а затраты времени на предварительную настройку станка раскладываются на всю партию заготовок. Точность обработки в этом случае зависит от квалификации наладчика, производящего настройку и под-настройку станка. Примерами обработки методом автоматического получения размеров могут служить многорезцовое обтачивание, фрезерование на продольно-фрезерных станках, тонкое растачивание и другие виды однопроходной обработки.

В обоих рассмотренных методах на точность влияет субъективный фактор. При первом методе это влияние сказывается в процессе обработки каждой детали, при втором методе—на партии деталей, снимаемых со станка между его настройками или поднастройками на заданный размер*. Влияние субъективного фактора на точность обработки устраняется применением мерных режущих инструментов (развертки, протяжки, фасонные фрезы, калибровочные резцы для канавок и пр.). Точность обработки в данном случае не зависит от квалификации рабочего или наладчика, так как при смене инструмента не происходит изменения настроечного размера.

В условиях мелко- и среднесерийного производств применяют обработку за один проход с установкой инструмента по лимбу. Нужное деление лимба определяют пробной обработкой первой детали партии или по эталону. В  данном случае на

точность обработки влияют субъективные факторы двух видов: один из них связан с погрешностью установки необходимого деления лимба (погрешность настройки), другой — с повторяющейся для каждой детали погрешностью установки режущего инструмента по найденному делению лимба.

В автоматизированном производстве применяется другой, более прогрессивный

метод обеспечения заданной точности. Он заключается в том, что в станок встраивают измерительное и регулирующее устройство (подналадчик), которое в случае выхода обрабатываемой детали из поля допуска автоматически подналаживает (корректирует) систему , на заданный размер. Влияние субъективного фактора здесь исключено, если не считать погрешностей регулировки самого подналадчика. Устройства данного типа характерны для станков, выполняющих обработку за один проход (сквозное бесцентровое шлифование, тонкое и чистовое растачивание и т. п.). Для станков, выполняющих обработку за несколько проходов (наружное круглое и внутреннее шлифование), характерно использование устройств, производящих измерение на ходу. При достижении заданного размера эти устройства автоматически выключают подачу станка. В настоящее время имеется большое количество подобных систем, известных под названием средств активного контроля. Их внедрение в производство дает возможность повысить точность и производительность обработки.

Ранее отмечалось, что с повышением заданной точности трудоемкость и себестоимость изготовления машин растет. На рис. 15, а показано влияние заданной точности детали на себестоимость ее изготовления из одной и той же заготовки. Из рисунка видно, что с повышением класса точности выдерживаемых размеров себестоимость обработки увеличивается. Это обусловлено использованием более точных отделочных методов и усложнением технологического маршрута обработки данной поверхности, включением в него большего количества промежуточных методов. Себестоимость обработки растет в зависимости от количества методов, составляющих данный технологический маршрут,  нелинейно; а в несколько большей степени. Это вызывается тем, что себестоимость отделочной обработки больше, чем чистовой, а чистовой больше, чем предварительной. Точная обработка более трудоемка и выполняется более квалифицированными рабочими и на более дорогом оборудовании.

На рис. 15, б показано влияние отделочных (финишных) методов обработки, обеспечивающих заданную точность наружной цилиндрической поверхности, на себестоимость ее получения. Кривая 1 характеризует чистовое точение, кривая 2 — предварительное шлифование, а кривая 3 — чистовое шлифование. Используя высокую квалификацию исполнителя и соответствующие условия обработки, можно, например, чистовым точением достичь второго класса точности. Однако по сравнению с шлифованием это будет неэкономично. На рисунке видны выделенные зоны так называемой средней экономической точности обработки для каждого из рассматриваемых методов. Средняя экономическая точность чистового точения на предварительно настроенном станке составляет 3—За класс, предварительного шлифования 2а—3 и чистового 2—2а. Для получения точности первого класса экономически целесообразно применять тонкое шлифование и другие отделочные методы (например, притирку). Средняя экономическая точность обработки зависит от уровня развития технологии производства. Для каждого метода обработки она обычно ниже максимальной технологически достижимой точности обработки. Данные по средней экономической точности различных методов обработки приводятся в виде таблиц во многих технологических справочниках. Эти таблицы используют для предварительной разработки технологических процессов механической обработки. По мере совершенствования технологии обработки эти таблицы подвергаются периодической корректировке.

Точность сборочных работ. При сборке машин могут иметь место ошибки взаимного положения их элементов, некачественные сопряжения, а также деформации соединяемых деталей. Эти погрешности ухудшают функциональные характеристики машин. Неправильное взаимное положение сопрягаемых деталей и узлов металлорежущих станков снижает геометрическую и кинематическую точность последних. Неправильная сборка узлов вращения (например, роторов лопаточных машин) вызывает их осевое и радиальное биение, а также неуравновешенность. Некачественные сопряжения стыков уменьшают их конктактную жесткость и герметичность. Неправильная сборка гидравлических машин может вызвать нарушение предписанных зазоров в основных сопряжениях и как следствие этого снижения коэффициента полезного действия, производительности и развиваемого напора. Перекосы деталей в узлах трения вызывают их неравномерный и интенсивный износ, нагрев, а также возможность задиров поверхностей скольжения. Преувеличенные зазоры в коренных и шатунных подшипниках коленчатого вала вызывают стуки при работе двигателей внутреннего сгорания и значительно сокращают сроки их службы. Примеры подобного рода можно найти во всех областях машиностроения.

От качества сборки зависит надежность и долговечность работы выпускаемых машин. Под надежностью понимают вероятность безотказной работы машины в определенных условиях и в течение заданного срока службы. Срок службы это время работы машины до ее первого планового ремонта или между плановыми ремонтами. Основы надежности закладываются конструктором при расчете и конструировании машины. Все факторы, обеспечивающие надежную работу машины, должны быть тщательно продуманы и отражены в чертежах, в технической документации.

Не менее важным фактором обеспечения надежности является качественное производство машин. На надежность влияют все этапы производства от процесса выполнения заготовок до сборки машин. Отказы могут быть вызваны недоброкачественным выполнением соединений, регулировочных и пригоночных работ;  ослаблением крепежных деталей; разрегулированием в процессе работы; нарушением контактов в электрических системах и другими причинами.

На рис. 16, а показаны графики интенсивности отказов  изделий в функции времени их эксплуатации. На графике выделены три характерные зоны: зона / — период приработки деталей изделий, зона II — период нормальной эксплуатации и зона /// — период резкого повышения интенсивности отказов в результате проявления физического износа изделий. Кривая А характеризует машины, сборка которых производилась недостаточно качественно, кривая Б — машины, сборка которых производилась более качественно. В результате этого сократился первый период и удлинился второй. Интенсивность отказов, представляющая собой число отказов в единицу времени, снизилась в первой и второй зонах.

На рис. 16, б показаны кривые надежности R работы изделий в функции времени t. Эти кривые соответствуют периоду нормальной эксплуатации изделия (зона II), для которого интенсивность отказов имеет постоянное значение. Для этих условий надежность выражается экспоненциальной зависимостью , где е — основание натуральных логарифмов. Кривая Б на этом рисунке характеризует более надежную работу изделий, сборка которых произведена более качественно по сравнению с вариантом сборки, выражаемым кривой А.

Погрешности сборки вызываются: отклонениями размеров, формы и взаимного расположения поверхностей сопрягаемых деталей. Эти отклонения влияют на зазоры и натяги, ухудшая заданные посадки, вызывают радиальные и торцевые биения при сборке узлов вращения, несоосности и другие погрешности взаимного положения элементов машины; некачественной обработкой сопрягаемых поверхностей, в результате чего возникает их неплотное прилегание, снижение контактной жесткости стыков и герметичность соединений; неточной установкой и фиксацией элементов машины в процессе ее сборки; некачественной пригонкой и регулировкой сопрягаемых элементов машины; нарушениями условий и режимов выполнения сборочных операций (неравномерная затяжка резьбовых соединений, вызывающая перекосы и деформации собираемых элементов, перекосы и деформации при запрессовке и других видах соединений, деформация при закреплении деталей и узлов в сборочных приспособлениях); геометрическими неточностями сборочного оборудования, приспособлений и инструментов; неточной настройкой сборочного оборудования; тепловыми деформациями элементов технологической системы (сборочное оборудование — приспособление — инструмент — собираемый объект). Погрешности сборки могут возникать также в результате действия остаточных напряжений в материале деталей не проявившихся полностью при механической обработке. Нетехнологичные конструкции изделий затрудняют получение заданной точности.

Точность сборки обеспечивается следующими четырьмя методами.

Индивидуальной пригонкой сопрягаемых деталей и узлов изделия. Для этой цели применяют припиливание, шабрение, притирку, а также совместную обработку сопряженных поверхностей (растачивание или развертывание отверстий для обеспечения их соосности). Метод применятся в условиях единичного и мелкосерийного производств, а также в тех случаях, когда конструктивные допуски уже технологических.

Регулированием зазоров или взаимного положения элементов изделия. Регулирование осуществляют при помощи компенсаторов (прокладки, клинья, винты), которые должны быть предусмотрены в конструкции изделий. Сопряженные детали обрабатывают по широким допускам, а требуемый зазор обеспечивается индивидуальной установкой или регулированием соответствующего компенсатора.

Выполнением соединений по принципу полной или частичной взаимозаменяемости. Метод применяется в тех случаях, когда конструктивные допуски равны или шире технологических. Сборка ведется без пригоночных и регулировочных работ.

Выполнением соединений по принципу групповой взаимозаменяемости. Детали изделия обрабатывают с широкими допусками, а заданная точность сопряжения обеспечивается непосредственным подбором или предварительной сортировкой деталей на размерные группы. Метод применяется при  сборке изделий, имеющих сопряжения высокой точности.

Выбор того или иного метода обеспечения точности определяется анализом размерных цепей собираемого изделия.

Ошибка  получающаяся на замыкающем звене размерной цепи, равна сумме ошибок всех остальных звеньев, составляющих данную размерную цепь.

                                                            (8)

Допуск на замыкающее звено размерной цепи

                                                             (9)

где  — величина допуска i-го звена этой цепи; т — число всех звеньев размерной цепи, включая замыкающее звено.

Допуск на замыкающее звено размерной цепи задается конструктором
машины, исходя из ее функционального назначения. При малой
величине этого допуска и многозвенной цепи допуски на остальные
звенья получаются очень жесткими. В этом случае сборку выполняют
методом регулирования при одновременной корректировке конструкции
изделия введением в него соответствующего компенсатора. При
более простых размерных цепях и узком допуске на замыкающее звено
может быть Применен метод групповой взаимозаменяемости. При
простых размерных цепях и не очень жестком допуске на замыкающее
звено обычно применяют сборку по методу полной взаимозаменяе-
мости.

По формулам (8) и (9) расчет размерных цепей ведется методом максимума—минимума. Этот метод используют в тех случаях, когда в размерных цепях должна быть установлена 100-процентная взаимозаменяемость всех составляющих звеньев. Если по условиям производства экономически выгодно на составляющие звенья назначать более широкие допуски, предусматривая в то же время частичный выход размеров замыкающих звеньев за пределы установленного допуска, то расчет размерных цепей ведется вероятностным методом. Оба метода расчета размерных цепей с решением прямых и обратных задач приводятся в ГОСТ 16320—70.

§ 11. СТАТИСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ТОЧНОСТИ

Виды погрешностей. Погрешности, возникающие при выполнении заготовок, механической обработке, техническом контроле, сборке и других видах обработки, можно разбить на три вида: систематические постоянные, систематические закономерно изменяющиеся и случайные.

Систематические постоянные погрешности не изменяются при обработке одной или нескольких партий заготовок. Они возникают под влиянием постоянно действующего фактора. Примером подобных погрешностей могут служить: неперпендикулярность оси просверленного отверстия к базовой плоскости заготовки из-за неперпендикулярности оси шпинделя к плоскости стола вертикально-сверлильного станка; ошибки межосевого расстояния растачиваемых отверстий из-за неправильно выдержанного расстояния между осями направляющих втулок расточного кондуктора; погрешность формы обтачиваемой поверхности (конусность) в результате непараллельности оси шпинделя направляющим станины токарного станка. Систематические постоянные погрешности могут быть выявлены пробными измерениями нескольких обработанных деталей. Эти погрешности сводятся к желаемому минимуму соответствующими технологическими мероприятиями.

Систематические закономерно изменяющиеся погрешности могут  влиять на точность обработки непрерывно или периодически! Примером непрерывно влияющей погрешности может служить погрешность, вызываемая размерным износом режущего инструмента. Примером периодически действующей погрешности может служить погрешность, возникающая в результате тепловой деформации станка в период его пуска до достижения состояния теплового равновесия.

Знание закона изменения этих погрешностей позволяет принимать меры для их устранения или уменьшения при построении станочных операций.

Случайные погрешности возникают в результате действия большого количества несвязанных между собой факторов. Случайная погрешность может иметь различное значение; определить заранее момент появления и точную величину этой погрешности для каждой конкретной детали в партии не представляется возможным. Случайные погрешности могут быть непрерывными и дискретными. Непрерывная случайная погрешность может иметь любые численные значения в границах определенного интервала. Основная масса случайных погрешностей носит непрерывный характер. Примерами непрерывных случайных погрешностей могут служить погрешности положения заготовки на станке, а также погрешности обработки, вызываемые упругими отжатиями элементов технологической системы под влиянием нестабильных сил резания. Дискретные случайные погрешности в технологии машиностроения встречаются редко. К ним можно, в частности, отнести погрешности регулировки при использовании устройств ступенчатого типа.

Причинная связь между случайной погрешностью и вызывающими ее появление факторами иногда бывает известной (явной), а иногда не вполне выясненной. Так, например, для конкретного случая обработки может быть выявлена зависимость упругих отжатий технологической системы от величины снимаемого припуска. Факторы, вызывающие разброс диаметров отверстий, обработанных одной разверткой, являются пока полностью невыясненными.

Несмотря на то, что определение случайной погрешности для каждой детали в партии практически неосуществимо, можно тем не менее установить пределы изменения этой погрешности. При явно выраженной связи между случайной погрешностью и вызывающими ее появление факторами пределы изменения случайной величины могут быть определены аналитическими расчетами. Например, разность предельных расстояний от измерительной базы до обрабатываемой поверхности, представляющую собой погрешность базирования, можно заранее вычислить, зная допуски на размеры заготовки. При неявной (невыявленной) связи между случайной погрешностью и влияющими на ее появление факторами пределы изменения случайной величины могут быть установлены на базе экспериментальных исследований.

В процессе изучения явлений невыявленные ранее связи становятся явными. В результате этого можно более полно учитывать влияние различных технологических факторов на точность механической обработки при разработке технологических процессов,

Кривые распределения и оценка точности обработки. Сущность статистического метода оценки точности достаточно подробно изложена в специальной литературе и в трудах по технологии машиностроения. Этот метод применим в условиях производства большого количества одинаковых деталей, обрабатываемых как на предварительно настроенных станках, так и методом пробных проходов.

Математическая статистика была той научной базой, на которой начали проводить первые исследования точности технологических процессов. Первым шагом в этом направлении было изучение и анализ кривых распределения. Построение кривых распределения производится следующим образом. Всю совокупность измерений* интересующей нас величины (например, какого-либо размера в партии заготовок, обработанных при определенных условиях) разбивают на ряд групп. В каждую группу входят величины, результаты измерения которых находятся в пределах установленного интервала. Интервалы, число которых обычно берут в пределах 7—11, откладывают по оси абсцисс, а количество замеров, приходящееся на каждый интервал, по оси ординат. После соединения нанесенных на график точек получают ломаную линию, называемую полигоном распределения. На рис. 17, а показан полигон распределения диаметральных размеров колец, подвергнутых предварительному обтачиванию; из него видно, что на средине интервалы размеров приходится большее количество колец. При увеличении количества деталей в партии, сужении интервалов и увеличении их числа ломаная линия приближается к плавной кривой.

Вместо абсолютного количества т деталей в каждом интервале по оси ординат откладывают также отношение этого количества к общему количеству n , деталей  в партии; данное отношение называется относительной частотой, или частостью.

В качестве самой приближенной меры точности исследуемого процесса обработки может служить поле рассеяния размеров (см. рис. 17,а). Величину поля рассеяния можно брать по полигону распределения или по таблице измерения исследуемых значений. Чем уже поле рассеяния, тем точнее исследуемый технологический метод.

Вид кривой распределения определяется количеством и характером факторов, влияющих на исследуемую величину. Многочисленные исследования показали, что в технологии машиностроения распределение размеров чаще всего происходит по так называемому нормальному закону или закону Гаусса. Соответствующая кривая распределения (рис, 17, б) имеет симметричную шатрообразную форму.

Нормальный закон распределения имеет место в тех случаях, когда исследуемая случайная величина является результатом действия большого числа различных факторов, причем все факторы по интенсивности своего влияния, действуют одинаково. Этому закону подчиняются многие непрерывные случайные величины: размеры деталей, обработанных на настроенных станках, вес заготовок и деталей машин, твердость и другие характеристики механических свойств материала,

 высота микронеровностей па обработанных поверхностях, погрешности измерений и некоторые другие величины. Практически почти всегда во всех перечисленных случаях приходится наблюдать небольшие отклонения от нормального закона. Эти отклонения обычно непостоянны во времени для номинально одних и чех же условий обработки. Кривая Гаусса выражается следующим уравнением:

Здесь  — среднее квадратичное отклонение аргумента; е — основание натуральных логарифмов; а значение абсциссы, при которой ордината у кривой достигает максимума; величина а является центром распределения (группирования) аргумента и в то же время его средней арифметической.

Закон Гаусса двухпараметрический (параметры  и а). Ордината вершины кривой при х = а

Точки перегиба кривой лежат на расстояниях σ от её оси симметрии (см. рис. 17, б). Их ординаты

Величина среднего квадратичного отклонения  , являющаяся мерой точности характеризует форму кривой распределения. При больших значениях а кривая получается очень пологой и поле рассеяния растет. При малых значениях  точность исследуемого метода повышается и кривая получается сильно вытянутой вверх с малым полем рассеяния. На рис. 17, в показаны кривые распределения диаметральных размеров цилиндрического отверстия на различных этапах его обработки. Кривая  характеризует распределение размеров отверстия в исходной заготовке; кривая  — распределение размеров после предварительной обработки, а кривые  и — соответственно после чистовой и окончательной обработок. При правильном построении технологического процесса обработки необходимо выполнять условие , так как на каждом последующем переходе обработки должна обеспечиваться более высокая точность, чем на предыдущем. Кроме того, величины х3 х2, х2 х1 и х1 - х должны быть достаточно большими во избежание брака при обработке. Определение  по результатам измерений производят по следующей формуле:

  ,                                                    (11)

где п — количество произведенных измерений; xi — значение текущего измерения; xср — среднее арифметическое из произведенных измерений

 .                                        (12)

Количество измерений п рекомендуется брать равным 50. При этом погрешность определения  равна ±10%. Если п = 25, погрешность определения  возрастает до ±15%. Для определения среднего арифметического с той же погрешностью количество измерений можно брать в 5. раз меньше.

Определение величин  и xср удобно производить, занося данные
измерений и вычислений в таблицу. Пример вычислений приводится
в табл. 1.


Таблица  1

Пример вычисления σ

№ п.п.

xi

xi-xср

(xi-xср)2

1

2

3

. . .

. . .

50

62,74

62,75

62,83

. . . . . .

. . . . . .

62,81

0,05

0,04

0,04

. . . . . .

. . . . . .

0,02

0,0025

0,0016

0,0016

. . . . . .

. . . . . .

0,0004

 

 мм.

При малом количестве наблюдений (15—10 и меньше) вычисление  связано с большой ошибкой. Поэтому здесь приближенную оценку точности можно производить, определяя поле рассеяния, т. е. разность между наибольшей и наименьшей измеренными величинами.

Пользуясь кривой распределения, можно найти вероятное количество годных деталей, на размер которых установлен определенный допуск. Предположим, что поле допуска 8 установлено двумя размерами х1 и х2 границ этого допуска от центра группирования (см. рис. 17, б). Вероятное количество годных деталей определяется в этом случае отношением заштрихованной площади Fl + F2 ко всей площади F, заключенной между кривой и осью абсцисс. С уменьшением допуска отношение площадей также уменьшается и вероятное количество годных деталей падает. При значительном (безграничном) расширении допуска отношение площадей приближается к единице. В этом предельном случае все детали становятся годными; математически это означает, что вероятность данного достоверного события равна единице.

Примем симметричное расположение кривой распределения относительно оси ординат. Тогда площадь Fг левого заштрихованного участка определится следующим образом:

                                                (13)

Площадь Fz правого заштрихованного участка найдется аналогичным путем:

                                                (14)

Эти интегралы обычно представляют в виде функции Ф (z), причем

                         

;

                             (15),(16)

Величины F'1 и F'2 меньше единицы. Они выражают долю от всей площади между кривой Гаусса и осью абсцисс, принимаемой за единицу.

В табл. 2 приведены значения функции Ф (z) через десятую долю аргумента.

Таблица 2

Значения функции Ф(z)

z

Ф(z)

z

Ф( z )

z

Ф(z)

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

0,0000

0,0797

0,1585

0,2358

0,3108

0,3829

0,4515

0,5161

0,5763

0,6319

0,6827

0,7287

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

1,7

1,8

1,9

2,0

2,1

2,2

2,3

0,7699

0,8064

0,8385

0,8664

0,8904

0,9109

0,9281

0,9426

0,9545

0,9643

0,9722

0,9786

2,4

2,5

2,6

2,7

2,8

2,9

3,0

3,1

3,2

3,3

3,4

3,5

0,9836

0,9876

0,9907

0,9931

0,9949

0,9963

0,9973

0,99806

0,99862

0,99903

0,99933

0,99953

При z = ±3 функция Ф (z) = 0,9973. Это значит, что из всей партии деталей, обработанных данным методом, только 0,27% выходит за пределы допуска х =6.

Вычислив по данным наблюдений значение , можно охарактеризовать точность исследуемого технологического метода произведением 6 . В этом случае мы имеем практически 100-процентную годность обрабатываемых деталей, так как вероятное количество брака менее 0,3%. Величина 6 является условной. При 7 вероятное количество брака снижается очень мало. При 50 оно несколько возрастает. Правило «шести сигм» является достаточно простым, удобным и точным для практического пользования.

Описанный метод позволяет объективно оценить точность действующего процесса обработки, выполняемого при определенных условиях. При определении величины а, характеризующей точность данного метода, необходимо исключать при измерениях влияние систематической ошибки. В частности, для исключения погрешности формы цилиндрической поверхности, (представляющей в данном случае систематическую ошибку), измерения диаметральных размеров целесообразно производить в определенных сечениях у всех заготовок в партии.

Приведенные расчетные формулы позволяют решать многие задачи практического характера.

Пример 1. Определить вероятность получения брака  деталей, если средне- квадратичное отклонение метода обработки = 0,02 мм, а допуск на обработку =0,08 мм. Границы поля допуска (рис. 17, б) расположены на расстояния!  = 0,02 мм и  = 0,06 мм от центра группирования.

Решение. Найдем значения  и :

  

По табл. 2 определим F'1 и F'2:

   

Вероятность получения  брака  W = 1 — = 1 — (0,3413 + 0,4986)  = 0,16.

Пример 2. На сколько уменьшится вероятность получения брака по условиям предыдущей задачи, если центр группирования кривой распределения путем настройки технологической системы совместить с серединой поля допуска.

Решение. В данном случае

По табл. 2 найдём величины F'1 и F'2:

Вероятность получения брака

По сравнению с предыдущим случаем вероятность получения брака уменьшилась на 11,5%.

Кроме закона Гаусса встречаются и другие законы распределения размеров обработанных деталей в партии.

Если на выполняемый размер оказывает влияние систематическая равномерно возрастающая погрешность (погрешность, вызываемая размерным износом режущего инструмента и протекающим по закону прямой), то распределение происходит по закону равной вероятности (рис. 18, а). В верхней части рисунка показан рост погрешности к в зависимости от количества обработанных деталей п. Внизу дана соответствующая кривая распределения, имеющая вид прямоугольника.

Если на выполняемый размер влияет закономерно изменяющаяся погрешность, возрастающая сперва замедленно, а затем ускоренно (рис. 18 б, сверху), то распределение размеров происходит по  з а к о н у  треугольника (Симпсона). Кривая распределения показана в нижней части рисунка. Это распределение может иметь место при совместном действии размерного износа режущего инструмента с сильно выраженной фазой начального износа и увеличения силы резания в конце стойкости инструмента в результате его прогрессирующего затупления.

На рис. 18, в сверху показано изменение выполняемого размера х от времени обработки (количества обработанных деталей п) в результате тепловых деформаций технологической системы. Внизу дана соответствующая кривая распределения размеров.

         При обработке заготовок методом пробных проходов кривая распределения действительных размеров получается несимметричной относительной поля допуска (рис. 18, г). Это обусловлено тем, что рабочий, производя пробные проходы и пробные промеры каждой заготовки, стремится держаться ближе к наибольшему предельному значению выполняемого размера (проходной стороне предельного калибра). При этом методе обработки влияние закономерно изменяющихся и систематических

постоянных погрешностей значительно уменьшается и часто полностью отсутствует. Закон распределения приближается к закону Шарлье.

Рассмотрим теперь кривые распределения погрешностей взаимного положения и погрешностей формы поверхностей обработанных деталей. Эти погрешности являются существенно положительными величинами; они изменяются от нуля до определенного значения. Кривая распределения эксцентриситетов R ступенчатых цилиндрических деталей показана на рис. 18, д. Она имеет несимметричную форму. Характер изменения кривой говорит о том, что деталей с нулевым эксцентриситетом нет; большая часть деталей имеет средний по величине эксцентриситет; деталей с большим   эксцентриситетом   имеется    мало.     Закону эксцентриситета   (закону   Релея) следует также распределение значений непараллельности и неперпендикулярности двух плоскостей, неперпендикулярность оси детали к ее торцовой плоскости, разностенность полых деталей (при нефиксированной плоскости измерения). Этот закон однопараметрический. Среднее арифметическое значение *ср эксцентриситетов R связано со средним квадратичным отклонением постоянным соотношением

Закон распределения модуля разности к  r  двух случайных величин х1 и х2, распределение которых следует нормальному закону со средними значениями хср, и хсрг и средним квадратичным отклонением   для величин r, выражает несимметричность поверхностей, непараллельность плоскостей, неперпендикулярности двух осей, овальность цилиндрической поверхности, отклонение шага резьбы и другие отклонения. Обозначив р = и р0 =, можно написать уравнение кривой распределения

                                    (17)

В зависимости от величины р0 имеем семейство кривых (рис. 18, e): при р0 = 1 получаем кривую распределения некруглости; при р0 = О кривая получается асимметричной; при р0 = 3 имеем кривую Гаусса. На рис. 18, ж показана кривая плотности вероятности отказов в работе собранного изделия или его элемента. По оси абсцисс отложено время t работы изделия (наработка на отказ). Кривая носит экспоненциальный характер и выражается уравнением

                                                            (18)

где интенсивность отказов (при экспоненциальной зависимости постоянна).

Вероятность отказа за время  равна площади под кривой в интервале от 0 до  (заштрихованный участок). Вид кривой характеризует качество изделия с точки зрения надежности его работы.

Систематическая постоянная погрешность не оказывает влияния на форму кривой распределения. Влияние этой погрешности сказывается лишь в том, что кривая распределения сдвигается на величину этой погрешности по оси абсцисс. На рис. 18, з сплошной линией показана кривая распределения, полученная при отсутствии систематической постоянной погрешности. Штриховой линией изображена кривая распределения, полученная после возникновения систематической погрешности. Данная кривая сдвинута вправо на величину с этой погрешности. Если наряду со случайными имеются и систематические закономерно изменяющиеся погрешности, то кривая распределения искажается. На рис. 18, и в качестве примера показана кривая, представляющая собой композицию кривой Гаусса, и кривой равной вероятности. Эта кривая может получиться в том случае, когда на точность обработки   оказывает   сильное  влияние    размерный    износ  инструмента.

Кривая распределения для двух одинаковых партий деталей, обработка которых производилась при двух различных настройках станка, получается двухвершинной (рис. 18, к). Для нескольких настроек может получиться многовершинная кривая. При большом количестве настроек многовершинность сглаживается и кривая приобретает форму кривой нормального распределения, но с более широкой базой. Увеличение ширины базы происходит на величину погрешности настройки .

Исследования показали, что распределение размеров деталей, обрабатываемых на предварительно настроенных станках, близко к нормальному. В технологических исследованиях, однако, часто возникает задача подбора теоретического закона на основе эмпирического распределения размеров. Самый простой и наглядный способ оценки близости эмпирического распределения размеров к подобранному теоретическому заключается в определении разности их ординат. Кривые должны при этом иметь одинаковые масштабы и одинаковые интервалы изменения частостей. Для суммарной оценки близости эмпирического распределения размеров к подобранному теоретическому закону используют критерии согласия Пирсона, В. И. Романовского и А. Н. Колмогорова. Определение и методика вычисления этих критериев приводятся в специальной литературе.

Статистический метод исследования на базе кривых распределения дает возможность объективно оценить точность различных способов механической обработки. Данный метод универсален. Его можно применить для исследования точности выполнения заготовок, сборочных операций, операций технического контроля, а также для целого ряда таких специфических операций, как балансировка, холодная правка и пр.

Единая методика, простота и несложные вычисления обусловили широкое применение этого метода для оценки точности самых различных технологических методов. Он особенно удобен (а часто и незаменим) в тех случаях, когда механизм явлений не изучен. Целесообразно применять его также для практической проверки результатов и выводов, полученных на основе расчетно-аналитического метода.

К существенным недостаткам данного метода относится, то, что он не вскрывает сущность физических явлений и факторов, влияющих на точность обработки, а также то, что на его базе не выявляются конкретные возможности повышения точности. Метод фиксирует результаты законченного этапа, т. е. «обращен в прошлое». Полученные ранее значения а не могут быть использованы, если в условиях выполнения данной операции произошли изменения (режим резания, способ установки заготовки и т. п.). В этом случае необходимо определить новое значение а.

Метод кривых распределения позволяет в ряде случаев выявить количественные и качественные зависимости точности от отдельных технологических факторов. Результаты исследования позволили, в частности, установить, что величина практически не зависит от длины заготовок из проката, отрезаемых на станке с круглой пилой по упору. Этот вывод подтверждает аналитическое предположение об отсутствии влияния длины заготовки на ее допуск по длине.

Исследование точности выполнения отливок и штампованных заготовок методом кривых распределения позволило установить, что допуски на размеры отливок, получаемых в песчаных и постоянных формах, зависят не только от величины размеров, но и от направления размера по отношению к плоскости разъема формы. Размеры, перпендикулярные к плоскости разъема формы, выдерживаются с большими отклонениями, чем размеры, параллельные этой плоскости.

Исследования точности выполнения штампованных заготовок на молотах показали, что размеры, перпендикулярные к плоскости разъема штампов, выполняются также со значительно более широкими отклонениями, чем размеры параллельные этой плоскости.

Исследование процессов обработки методом кривых распределения позволяет объективно оценить точность выполнения данной технологической операции. Этот метод, однако, обладает тем недостатком, что при его использовании не учитывается последовательность обработки заготовок. Вся совокупность измерений рассматривается безотносительно к тому, какая деталь обработана раньше, какая позже. Кроме того, кривые распределения не дают возможности распознать каждую  из причин, влияющих на результаты процесса. Построением и анализом кривых распределения можно выявить постоянную систематическую погрешность, которая определяется величиной имеющегося смещения центра группирования кривой для данной совокупности. Влияние закономерно изменяющихся систематических погрешностей может быть выявлено по характерному искажению формы кривой распределения. Выше отмечалось, что при интенсивном размерном износе режущего инструмента кривая Гаусса искажается и принимает форму плосковершинной кривой. Если, однако, по результатам измерений строится не кривая распределения, а непосредственно вычисляется среднее квадратичное отклонение, то систематически закономерно изменяющиеся погрешности не отделяются от случайных. В этом случае возможности данного метода в смысле выявления и устранения причин, обусловливающих те или иные погрешности, значительно уменьшаются.

Точечные диаграммы и их применение для исследования точности обработки. Другой метод исследования точности основан на построении точечных диаграмм. По горизонтальной оси откладывают номера обрабатываемых деталей в той последовательности, как они сходят со станка. По вертикальной оси в виде точек откладывают результаты измерений деталей. Подобные диаграммы можно строить как для одной так и для нескольких последовательно обрабатываемых партий деталей (рис. 19, а).

Длину подобных диаграмм можно значительно сократить, если по горизонтальной оси откладывать не номера заготовок, а номера групп деталей, причем в каждую группу входит одинаковое количество последовательно снимаемых со станка деталей (рис. 19, б).

На рис. 19, в показана диаграмма, по вертикальной оси которой откладываются средние арифметические значения размеров деталей, входящих в каждую группу. В данном случае гораздо легче уловить общую тенденцию изменения выполняемых размеров с течением времени. На рис. 19, в отчетливо видна периодичность изменения размеров в результате непрерывно протекающего износа режущего инструмента и периодически производимых поднастроек станка.

Свойства точечных  диаграмм     стали    подробно изучать  в связи с развитием    и    применением    в промышленности статистического   метода   контроля продукции.  Сущность этого   метода   заключается   в том, что в   процессе изготовления  данной   продукции   периодически    берут пробы в. количестве от двух до десяти деталей. Результаты измерений этих деталей,    производимых   универсальными инструментами, немедленно обрабатывают   и   наносят на   специальную    (контрольную) диаграмму.   На этой диаграмме   предусмотрены  параллельные прямые а и а, определяющие       границы поля допуска, и прямые б и б,   определяющие   поле рассеяния   средних   групповых   значений   и   называющиеся     контрольными прямыми.

Место контрольных прямых находят на основе теоретических положений статистического контроля, рассматриваемых в специальных курсах и литературе. На рис. 19, г в качестве примера показан образец диаграммы с нанесенными результатами контроля. Точки, соответствующие средним групповым значениям, соединены линиями. Вначале процесс обработки протекает нормально и ломанная линия не выходит за пределы контрольных прямых. При контроле группы А установлен выход ломаной линии за пределы контрольных границ. Это служит сигналом для поднастройки станка регулированием, или сменой инструмента, или проверкой положения упоров.

На контрольные диаграммы можно наносить не только средние групповые значения, но и другие параметры, характеризующие стабильность процесса обработки. К их числу можно отнести величину поля рассеяния, которая определяется по каждой группе измерений как разность предельных значений.

В последнее время обращается внимание на механизацию статистического контроля, которая достигается применением комбинированных приборов, производящих измерение размеров и фиксацию их величины на контрольную ленту. Кроме этого, известно применение приборов, которые производят измерение и усреднение результатов измерения. Последнее производят суммирующим устройством с электрическими или пневматическими датчиками. На этих приборах выполняют последовательное или одновременное измерение всех деталей, входящих в группу. В автоматизированных производствах находят применение устройства, автоматически управляющие процессом обработки на основе результатов измерения и их преобразования в статистические характеристики.

Применением статистического контроля предупреждается брак, так как контролируется не вся совокупность уже изготовленных деталей (как при обычных способах контроля), а правильность выполнения самого технологического процесса; при обнаружении отклонения своевременно применяют меры для и& устранения. При статистическом контроле значительно сокращается количество контролеров, так как выборочной проверке подвергается только 5—10% продукции.

Метод точечных диаграмм в несколько измененном виде позволяет более четко выявить влияние систематических закономерно изменяющихся погрешностей на общую погрешность обработки. На рис.20, а показан пример так называемой т о ч н о с т н о и диаграммы.

Для каждой группы последовательно обработанных деталей находят: среднее арифметическое xср и среднее квадратичное  отклонения, а также предельные верхнее  и нижнее отклонения от средней арифметической величины (разность этих отклонений есть поле рассеяния W для каждой группы). Количество деталей в каждой группе рекомендуется брать равным 25, а если обрабатывается большая партия изделий (более 300 шт.) то и большим. При размере партии, например, в 300 шт. общее количество групп составляет 12. Если размер партии исчисляется несколькими тысячами штук, то измерения деталей нужно делать в порядке их изготовления, но группы берут не подряд, а через равные количества неизмеряемых деталей.

В показанной на рис. 20, а  точностной диаграмме по оси абсцисс отложены номера последовательно взятых групп, а по оси ординат — вычисленные значения . Соединяя полученные точки ломаными линиями, мы получаем характеристику изменения указанных величин во времени протекания исследуемого процесса обработки. Проведя аналогичные наблюдения по нескольким партиям, можно получить более сглаженную диаграмму. Скачки, вызванные сменой или подналадкой режущего инструмента (или другими причинами), учитывают путем совмещения границы ближайшей группы с местом скачка. Из диаграммы видно, что поля рассеяния W и  размеров в пределах отдельных групп различны; они меньше поля рассеяния всей  совокупности деталей.

Если распределение размеров в пределах одной группы отвечает нормальному закону, то для всей совокупности деталей, оно может отличаться от этого закона в силу большего или меньшего влияния систематической закономерности изменяющейся погрешности. Так, например, при изменении хср по закону прямой, наклоненной под углом к оси абсцисс (размерный износ инструмента), распределение размеров деталей во всей совокупности будет характеризоваться  плосковершинной кривой.

Наличие нескольких систематических факторов с постоянной и переменной интенсивностью их действия во времени приводит к целому семейству теоретических кривых распределения, подробно рассмотренных Н. А. Бородачевым.

Установив на точностной диаграмме положение кривой, характеризующей изменение xср для отдельных групп во времени, можно выявить влияние систематических закономерно изменяющихся погрешностей на общую погрешность обработки. Если, например, значения xср расположены на прямой, наклоненной к оси абсцисс под некоторым углом, то величина систематической погрешности выражается уравнением прямой с соответствующим угловым коэффициентом. Величина систематической погрешности может быть дана в функции времени или количестве снятых со станка деталей. Можно ее выражать также в функции обработанной поверхности или длины пути инструмента в металле обрабатываемых заготовок. При распределении значений ,vcp по параболе величина систематической погрешности может быть выражена уравнением кривой второго порядка. В более сложных случаях зависимость целесообразно представлять аппроксимирующейся функцией.

К недостатку данного метода исследования точности нужно отнести то, что при наличии нескольких закономерно изменяющихся систематических погрешностей они не разделяются, а их влияние на суммарную погрешность оценивается комплексно. Кроме того, для исследования необходимо большое количество наблюдений.

Точностные диаграммы позволяют оценить технологические процессы во времени их протекания по устойчивости и стабильности признаков качества производимой продукции. Устойчивость характеризует во времени постоянство величины хср, стабильность — поля рассеяния W.

На рис. 20, б и в показаны типовые кривые изменения во времени величин xср и W. Кривые 1 и 3 представляют устойчивый и стабильный технологический процесс;  кривые 1 и 4—устойчивый, но нестабильный процесс с большим полем рассеяния W; кривые 2 и 3—неустойчивый, но стабильный процесс; кривые 2 и 4—неустойчивый и нестабильный процесс. Кривые 5 и 6 соответственно представляют циклически устойчивый и циклически стабильный процессы; в обоих случаях изменения величин xср и W происходят периодически по определенному закону. Объективную оценку устойчивости и стабильности производят сопоставляя амплитуды изменения величин хср и W с полем допуска . Устойчивость и стабильность технологического процесса считают достаточной, если амплитуда изменения указанных величин меньше (0,4—0,5). В отдельных случаях требования к устойчивости и стабильности могут быть выше.

§ 12. УСТАНОВКА ЗАГОТОВОК ДЛЯ ОБРАБОТКИ НА СТАНКАХ. ПОГРЕШНОСТИ УСТАНОВКИ

Одной из причин, вызывающих погрешности выполняемого размера и отклонения взаимного положения поверхностей обрабатываемой заготовки, является погрешность ее установки на станке.

У обрабатываемой заготовки различают следующие виды поверхностей: обрабатываемые поверхности; поверхности, посредством которых ориентируют заготовку относительно установленного на размер инструмента; поверхности, с которыми контактируют зажимные устройства; поверхности, от которых производится измерение выполняемого размера; свободные поверхности.

Поверхности (а также линии и точки) заготовки, ориентирующие ее при установке для обработки на станке, называют базирующими элементами или установочными базами, а придаваемое заготовке положение, определяемое базирующими элементами, называют ее базированием. (Подробнее о базах см. §.13). Поверхности, линии и точки, от которых выдерживаются заданные размеры, называют измерительными базам и.

Обрабатываемые поверхности, установочные и измерительные базы, а также направление силы резания определяют при установке размещение установочных элементов, на которые ставится заготовка, и зажимных устройств.

Следует различать установку для обработки способом автоматического получения заданных размеров, когда положение измерительной базы относительно установленного на размер инструмента непосредственно влияет на допуск выдерживаемого размера, и установку для обработки способом индивидуального получения заданных размеров, когда положение измерительной базы обрабатываемой заготовки не оказывает влияния на допуск выдерживаемого размера, так как Заданный размер получается путем пробных проходов и промеров непосредственно от измерительной базы.

При первом способе применяют специальные рабочие приспособления, под которыми понимают устройства, состоящие из установочных, зажимных и направляющих инструмент элементов, смонтированных в общем корпусе. Установку заготовок осуществляют доведением их базовых поверхностей до соприкосновения с установочными элементами приспособлений и последующим закреплением заготовок зажимными устройствами. Преимущества этого способа установки: быстрота, устранение выверки и влияния субъективных факторов на точность положения заготовки в приспособлении.

При обработке способом автоматического получения размеров станок предварительно настраивают, т. е. устанавливают инструмент и приспособление в такое взаимное положение, при котором обеспечивается выдерживание заданного размера в партии заготовок при однопроходной обработке. Это положение остается неизменным до очередного регулирования, требующегося вследствие размерного износа''' инструмента или новой настройки в связи со сменой затупившегося инструмента.

При использовании приспособлений возможно образование погрешности     установки, т. е. погрешности положения заготовок. Погрешность установки , как одна из составляющих общей погрешности выполняемого размера, суммируется из погрешности базирования , погрешности закрепления , и погрешности положения заготовки , вызываемой неточностью приспособления.

Погрешностью базирования называется разность предельных расстояний измерительной базы относительно установленного на размер инструмента. Погрешность базирования имеет место при несовмещении измерительной и установочной баз заготовки; она определяется для конкретного выполняемого размера при данной схеме установки. Поэтому величине , в расчетах нужно присваивать индекс соответствующего размера.

На рис. 21, а дана схема установки заготовки для фрезерования в ней паза. Закрепление заготовки производится силой Q. При обработке партии заготовок погрешность базирования по отношению к размеру А равна нулю ( = 0), так как измерительная и установочная базы совмещены в плоскости 1 заготовки. Погрешность базирования по отношению к размеру В  равна допуску  на размер С заготовки   (). В этом случае установочная база 1 не совмещена с измерительной базой 2.

На рис. 22, а показана схема установки цилиндрической заготовки в призму для фрезерования на ней плоскости. Двумя окружностями изображены наибольшая и наименьшая по диаметру заготовки в партии с осями в точках С' и С". При выполнении размера  погрешность базирования определяется разностью предельных размеров от измерительной базы (образующие А' и А") до установленного на размер инструмента (точка А’’’).

По аналогии

Следовательно,

                                                                     (19)

Здесь  — допуск на диаметр заготовки;  — угол призмы. По аналогии для размеров h2 и h3

                                                 (20)

                                                           1)

Из полученных формул видно, что погрешность базирования для размеров h1 , h2 и  h3 можно уменьшить, увеличивая угол а призмы. Изменяя положение призмы (рис. 22, б) можно также уменьшить погрешности базирования для размеров  h1 и  h3. Из чертежа следует, что для этого случая

;   

При   < 60° (для призмы на рис. 22, а)   уменьшается   также и погрешность базирования   для размера h2 .

На рис. 22, в показана установка заготовки базовым отверстием на цилиндрический палец приспособления с закреплением по торцам. При посадке без зазора (разжимной палец) погрешность базирования для размера А равна половине допуска на диаметр заготовки. При наличии зазора (жесткий палец) погрешность базирования для того же размера возрастет на величину предельного изменения диаметрального зазора  и составит

                                                       (22)

Во всех случаях обработки погрешность базирования равна нулю для диаметральных размеров и размеров, связывающих элементы, получаемые мерным или настроенным инструментом. Так, для размеров В и С (см. рис. 22, е)

 и  

Погрешность базирования также равна нулю для всех размеров, связывающих поверхности, обработанные при единой  установке заготовки.

На погрешность базирования влияет погрешность формы установочной базовой поверхности. Так, наличие эллиптичности цилиндрической поверхности изменяет положение оси заготовки в призме (при ее различных угловых положениях), а отсюда возникает и погрешность выполняемого размера Е (рис. 23, а). Этот размер изменяется в пределах 2с.

Наличие макронеровностей на базовой установочной плоскости (рис. 23, б) может вызвать погрешность размера В. В большинстве случаев эта погрешность мала (при опорах с развитой поверхностью она составляет небольшую часть высоты макронеровностей Н) и ею можно пренебречь. В методическом отношении эту погрешность можно рассматривать как элемент погрешности базирования, так как измерительная база (плоскость 11) не совмещена с фактической установочной базой — криволинейной поверхностью профиля.

Как погрешность положения заготовки погрешность базирования влияет на точность выполнения размеров, точность взаимного положения поверхностей и не влияет на точность их формы. Погрешность базирования для различных схем установки может быть найдена на основе геометрических расчетов.

Для устранения и уменьшения погрешности базирования следует: совмещать установочные и измерительные базы, повышать точность выполнения размеров установочных баз, выбирать рациональное расположение установочных элементов и назначать правильно их размеры, устранять или уменьшать зазоры при посадке заготовок на охватываемые или охватывающие установочные элементы.

Погрешностью закрепления  называется разность предельных расстояний измерительной базы относительно установленного на размер инструмента в результате смещения обрабатываемых заготовок от действия зажимной силы. Для партии заготовок эта погрешность равна нулю, если величина смещения хотя и велика, но постоянна; в этом случае положение поля допуска выполняемого размера может быть скорректировано  настройкой станка.

На рис. 21, а можно видеть, что погрешность закрепления заготовки по отношению к размеру А не равна нулю ( ), тогда как для размера Е она равна нулю ( так как измерительная база 3 не перемещается при закреплении заготовки в горизонтальном направлении. Смещения измерительной базы заготовки происходят в результате деформации звеньев цепи (заготовка, установочные элементы и корпус приспособления), через которую передается зажимная сила. Из всего баланса перемещений в этой цепи наибольшую величину имеют перемещения в стыке заготовка—установочные элементы. В остальных звеньях перемещения при рациональной конструкции приспособления малы.

Зависимость контактных деформаций для стыков заготовка—установочные элементы выражается в общем виде нелинейным законом

                                                                     (23)

где С — коэффициент, характеризующий вид контакта, материал заготовки, шероховатость и структуру ее поверхностного слоя. Для партии заготовок при данной схеме установки этот коэффициент изменяется от Cmin до Cmax ; Q — сила, приходящаяся  на установочный  элемент (опору).

Показатель п в этой зависимости меньше единицы. Характер данной зависимости показан на рис. 24, а. В зажимных устройствах приспособлений сила закрепления при обработке партий заготовок колеблется от Qmin до Qmax, вызывая соответствующее изменение контактных деформаций (осадка заготовки). Применительно к размерам А и В (см. рис. 21, а) разность ymax и ymin и будет составлять погрешность закрепления (см. рис. 24, а)*.

По своей величине погрешность закрепления заготовки часто сопоставима с погрешностью базирования. Ее можно уменьшить путем:  применения зажимных устройств, обеспечивающих постоянную силу зажима заготовок (пневматические, гидравлические и другие устройства); повышения однородности поверхностного слоя и материала заготовок; рационального выбора направления зажимной силы.

Сила зажима должна надежно прижимать базовую поверхность заготовки к установочным элементам приспособления. При неправильной схеме закрепления, когда сила зажима не обеспечивает плотного прижатия заготовки к опорам может произойти ее поворот или смещение на более или менее значительную величину от исходного положения.

Подобное смещение следует считать не погрешностью закрепления, а грубой погрешностью методического характера из-за принципиально неправильной схемы установки. Ошибки такого рода возникают при неправильных конструкциях специальных и нерациональном использовании универсальных приспособлений (машинные тиски, патроны и др.). Так, при закреплении в машинных тисках (рис.21,б) заготовка может повернуться вокруг точки О с нарушением контакта ее нижней базы с опорной плоскостью тисков. В результате этого возникнет непараллельность обрабатываемой верхней плоскости заготовки ее нижней базе.

Погрешность положения заготовки пр, вызываемая неточностью приспособления, определяется ошибками изготовления и сборки его установочных элементов ус, их прогрессирующим износом и, а также ошибками установки и фиксации приспособления на станке

Составляющая ус характеризует неточность положения установочных элементов приспособления. При использовании одного приспособления она представляет собой систематическую постоянную погрешность; ее можно частично или полностью устранить соответствующей настройкой станка. При использовании нескольких одинаковых приспособлений (приспособлений-дублеров и приспособлений-спутников), а также многоместных приспособлений эта величина не компенсируется настройкой станка и входит полностью в составпр. Технологические возможности изготовления приспособлений обеспечивают выдерживание составляющей ус в пределах 0,01—0,005 мм, а для прецизионных приспособлений и с более высокой точностью.

Составляющая и характеризует изменение положения контактных поверхностей установочных элементов в результате их износа в процессе эксплуатации приспособления. Интенсивность износа установочных элементов зависит от их конструкции и размеров, материала и веса заготовки, состояния ее базовой поверхности, а также условий установки заготовки в приспособление и снятия ее. Исходя из требуемой точности установки, износ опор регламентируют заранее рассчитанной величиной. Износ контролируют при плановой периодической проверке приспособлений. Если износ достиг предельно допустимой величины, приспособление ремонтируют путем смены опор. При обработке заготовок средних размеров по 2—3-му классам точности допустимая величина и обычно не превышает 0,015 мм. Для уменьшения износа опоры выполняют из закаленной стали. Нередко их хромируют или наплавляют твердым сплавом, что. уменьшает износ соответственно до 3 и 10 раз.

Величины ус и и показаны на примере двухместного приспособления (рис. 24, б). Из рисунка видно, что они влияют на выдерживаемый при обработке размер H.

Составляющая с возникает в результате смещений и перекосов корпуса приспособления на столе, планшайбе или шпинделе станка. В массовом производстве при однократном неизменном закреплении приспособления на станке эта величина доводится выверкой до определенного минимума и постоянна в течение эксплуатации данного приспособления. Часто она может быть устранена (компенсирована) соответствующей настройкой станка. В серийном производстве имеет место многократная периодическая смена приспособлений на станках; постоянная величина с превращается при этом в некомпенсируемую случайную величину, изменяющуюся в определенных пределах. Аналогичное явление наблюдается на автоматических линиях при использовании приспособлений-спутников. Применением направляющих элементов (шпонки для Т-образных пазов стола, центрирующие пояски, фиксаторы) и рациональным назначением зазоров в их сопряжениях величину с можно уменьшить до 0,01—0,02 мм.

Величины ус, и и с характеризуют расстояние между предельными проекциями измерительной базы обрабатываемых заготовок на направление выполняемого размера. В проектных технологических расчетах их можно рассматривать как поля рассеяния случайных величин, распределение которых в первом приближении можно принять по нормальному закону. При этом условии

                                                (24)

Погрешность установки как суммарное поле рассеяния выполняемого размера найдем по аналогичной формуле

                                                          (25)

Величины б, 3 и пр часто сопоставимы по своим значениям. Уменьшение величин 3 и пр важно при точной обработке. Их анализ позволяет обосновать схему приспособления и сформулировать технические условия на его изготовление. Это особенно важно при конструировании прецизионных приспособлений.

При обработке поверхностей вращения величины б, 3 и пр приобретают характер векторов, так как могут иметь различную направленность. В этом случае погрешность установки, как погрешность положения заготовки, определяется ее возможным смещением в ту или иную сторону. Величину этого смещения определяют геометрически, как векторную сумму б, 3 и пр.

При установке заготовки базовым отверстием на центрирующий бурт приспособления с зазором, смещение заготовки в ту или иную сторону от оси центрирующего бурта определяется величиной радиального зазора . При смещении оси бурта относительно оси вращения шпинделя на величину  общая погрешность установки е определяется векторной суммой величин и . Наиболее вероятное значение погрешности установки в данном случае определяется суммированием по правилу квадратного корня

                                                              (26)

Наибльшее значение величины  возможно тогда, когда векторы  и  колинеарны и суммируются арифметически.

Полученное значение  определяет несоосность базового отверстия и наружной обрабатываемой поверхности, но не влияет на ее диаметр. Как мы увидим дальше, эта несоосность нужна для расчета припуска на обработку наружной поверхности.

Для размеров, связывающих комплекс поверхностей, обработанных при одном закреплении заготовки, и для их взаимного положения погрешность установки заготовки, как составляющая общей погрешности обработки, равна нулю. Этот случай имеет место при обработке деталей из прутка на токарно-револьверных станках и автоматах, а также при обработке деталей на агрегатных и других станках. Во всех случаях погрешность установки заготовки в приспособлениях может быть рассчитана, исходя из геометрических связей и анализа схемы установки.

Погрешность установки заготовки приходится учитывать не только в расчетах точности механической обработки, но и при проектировании контрольно-измерительных и сборочных операций. Уменьшение погрешности измерения деталей в контрольных приспособлениях достигается прежде всего совмещением установочной базы с измерительной; проверяемую деталь устанавливают на ту поверхность, от которой на рабочем чертеже заданы проверяемые размеры. В этом случае погрешность базирования в процессе измерения равна нулю. Кроме того, следует уменьшать величины 3 и пр, используя изложенные ранее рекомендации. При выполнении операций узловой и общей сборки в сборочных приспособлениях погрешность установки сопрягаемых элементов может быть уменьшена путем сокращения всех ее трех составляющих. Это способствует повышению точности сборки и улучшению собираемости деталей, что весьма важно для условий автоматизации сборочных процессов. Во всех рассмотренных случаях методика определения погрешности установки является общей, хотя и имеет отдельные специфические особенности.

При обработке способом индивидуального получения заданных размеров заготовку устанавливают с выверкой, а рабочий инструмент устанавливают на размер индивидуально для каждой заготовки путем пробных проходов и измерений. Выверку положения заготовки производят либо непосредственно по обрабатываемой поверхности, либо по разметочным рискам*. Эти элементы являются установочными (проверочными) базами в отличие от опорных поверхностей, на которые ставится заготовка. Разметка применяется в единичном и мелкосерийном производствах. Ее выполняют в целях проверки годности исходных заготовок путем нанесения на их поверхности рисок (границ) обработки, выверки заготовок при установке их на станке, нанесения рисок для установки накладных кондукторов, а также контроля обработки сложных деталей машин. Требуемое положение выверяемой заготовки достигается подкладками,  домкратиками и другими универсальными устройствами.

Точность установки с выверкой определяется тщательностью производимой проверки. Она зависит от квалификации рабочего, вида
применяемого при проверке инструмента, а также состояния поверх-
ности, по которой производится проверка. Выверку производят до
и окончательно после закрепления заготовки, так как под воздействием зажимных сил заготовка может изменить свое положение. Погрешность установки с выверкой количественно равна погрешности проверки заготовок; погрешность положения заготовки при ее закреплении укладывается при этом в поле погрешности проверки. Погрешность установки с выверкой учитывается при определении ошибок взаимного положения поверхностей (непараллельность, неперпендикулярность и т. п.), так как эти ошибки обычно не устраняются только одной обработкой пробными проходами.

                       

                                                             

§ 13. БАЗЫ. ИХ ВЫБОР. ПЕРЕСЧЕТ РАЗМЕРОВ И ДОПУСКОВ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ БАЗ.

Проектирование технологических процессов связано с выбором баз. Рассмотрим вначале их общую классификацию и основные соображения по их выбору.

Различают базы конструкторские, сборочные, измерительные и технологические. Конструкторскими базами называют совокупность поверхностей, линий или точек, посредством которых определяется расчетное положение детали (узла) относительно других деталей (узлов) изделия. На чертежах изделий конструкторские базы часто представляют в виде геометрических элементов (оси отверстий и валов, оси симметрии, биссектрисы углов). Сборочными базами называют совокупность реальных поверхностей, определяющих фактическое положение детали (узла) в изделии. Сборку изделия обычно производят, сопрягая  сборочные базы его элементов друг с другом без всякой выверки. В отдельных случаях сборка элементов изделия производится с выверкой их взаимного положения по проверочным сборочным базам. После этого происходит фиксация элементов изделия тем пли иным способом (резьбовые детали, контрольные штифты и т. п.).

И з м е р и т е л ь н ы м и  б а з а м и называют совокупность поверхностей, линий или точек, от которых производят отсчет выполняемых размеров при обработке детали (при сборке узла), или проверку взаимного положения поверхностей детали (элементов изделия). Если в качестве измерительной базы используют реальные поверхности, то проверка осуществляется обычными (прямыми) методами контроля. При использовании геометрических линий или точек применяют косвенные методы контроля. Нередко указанные базы материально представляют посредством вспомогательных деталей (оправки, натянутая по оси отверстия в детали струна и пр.). Установочными технолог и ч е с к и м и  базами  называют совокупность поверхностей, линий или точек, определяющих положение обрабатываемой заготовки (базовой детали, собираемого узла). При использовании приспособлений за установочные базы принимают реальные поверхности, непосредственно контактирующие с установочными элементами приспособлений. Эти базы часто называют опорными. При установке с выверкой используют как реальные поверхности заготовки, так и геометрические линии и точки, материально представляемые на заготовке в виде разметочных рисок. Эти базы часто называют проверочными.

По месту положения установочных баз в технологическом процессе их делят на черновые или предварительные, промежуточные и окончательные. Черновые базы используют на первых операциях обработки, когда никаких обработанных поверхностей на заготовке еще нет. Они служат для создания промежуточных установочных баз, а часто сразу и окончательных, используемых для завершения обработки. В общем случае последовательно используются все три указанные разновидности установочных баз. Нередки, однако, случаи использования только черновых и окончательных баз. При обработке деталей на автоматических линиях в так называемых приспособлениях-спутниках вся обработка может быть завершена при одной установке заготовки. Здесь часто используются только черновые установочные базы. Такие варианты базирования заготовок имеют места при обработке на агрегатных станках, токарных многошпиндельных автоматах и полуавтоматах, станках с программным управлением.

Черновая установочная база может быть принята только для одной   установки; повторное ее использование нарушает взаимное расположение обрабатываемых  поверхностей.  Однако для  заготовок,  полученных  методами точного литья и штамповки, где термин «черновая база»   является условным,   это  правило   не   является   обязательным.

При неточной обработке допустимо также повторное применение черновых баз в однотипном приспособлении с обеспечением контакта установочных элементов с базовыми поверхностями заготовки в тех же точках.

Установочные базы делят также на основные и вспомогательные. Основные базы — это те поверхности, которые предусмотрены конструкцией детали и выполняют определенную роль при ее работе в изделии. Вспомогательные базы — это поверхности, искусственно создаваемые на детали из технологических соображений. Для работы детали в изделии эти поверхности не нужны и после завершения обработки при необходимости могут быть удалены. Возможность создания вспомогательных установочных баз должна быть предусмотрена и оговорена в конструкции детали. Примерами вспомогательных баз могут служить центровые гнезда валов, центрирующий поясок 1 и торец юбки 2 поршня автомобильного двигателя (рис.25,а), приливы 1 па заготовках (рис. 25, б) для удобства установки и крепления их при обработке, технологические бобышки 1 на заготовках турбинных лопаток (рис. 25, в).

При проектировании технологических процессов большое значение имеет выбор баз. Обработку заготовок обычно начинают с создания установочных баз. Для обработки промежуточных или окончатель-


ных базовых поверхностей за установочные базы приходится принимать черновую базу, т. е. необработанные поверхности заготовки. В качестве черновых установочных баз могут быть выбраны поверхности заготовки либо вовсе не обрабатываемые, либо обрабатываемые в дальнейшем. Выбранная черновая база должна обеспечивать в возможной степени равномерное снятие припуска при последующей обработке поверхностей с базированием на обработанную установочную базу и наиболее точное взаимное положение обработанных и необработанных поверхностей детали. Черновые базовые поверхности должны быть по возможности гладкими; не иметь штамповочных и литейных уклонов; на них не следует размещать литники, прибыли, плоскости разъема литейных форм и штампов.

Основные соображения, которыми целесообразно руководствоваться при выборе установочных баз для обработки заготовок, можно сформулировать в следующем виде.

Следует по возможности использовать принцип совмещения баз, т. е. в качестве установочной базы брать поверхность, являющуюся измерительной базой. При этом необходимо учитывать, что лучшие результаты по точности будут достигнуты в случае, если установочной и измерительной базой служит сборочная база, т. е. те поверхности, которые определяют положение детали в собранном изделии (например, центральное отверстие и торец ступицы зубчатого колеса). Учитывая взаимосвязь сборочной, измерительной и установочной баз, технолог при выборе баз и построении технологических процессов должен анализировать не только рабочие, но и сборочные чертежи деталей. Конструктор также должен проектировать деталь с учетом возможности совмещения сборочной, измерительной и установочной баз при ее обработке.

Следует по возможности соблюдать принцип постоянства баз и в ходе обработки на всех основных технологических операциях использовать в качестве установочных баз одни и те же поверхности. Принципы совмещения и постоянства баз совпадают в тех случаях, когда выдерживаемые размеры проставлены от одной достаточно устойчивой измерительной базы. Если измерительные базы переменны и не везде достаточно развиты по своим размерам, то первый принцип осуществить затруднительно. В этом случае осуществляют второй принцип, выбирая соответствующую постоянную установочную базу. Создание вспомогательных установочных поверхностей на деталях способствует более полному соблюдению принципа постоянства баз.

Когда постоянство установочной базы не может быть обеспечено, в качестве новой установочной базы выбирают обязательно обработанные, и желательно более точно обработанные, поверхности; если при этом базовая поверхность не является измерительной, производят проверочный расчет допуска на выдерживаемый размер и в случае необходимости— пересчет допусков на размеры базовых поверхностей, т. е. прибегают к более жестким технологическим допускам на размеры этих поверхностей.

Установочная база должна обеспечивать достаточную устойчивость и жесткость установки заготовки; это достигается соответствующими


размерами и качеством базовых поверхностей, а также их взаимным расположением.

При выборе установочных баз необходимо обеспечивать требуемую условиями выполнения данной операции ориентацию обрабатываемой подготовки в приспособлении. Для полной ориентации заготовки и приспособлении количество и расположение установочных элементов должно быть таким, чтобы при соблюдении условия неотрывности  от установочных элементов (т. е. сохранения плотного контакта между ними) заготовка не могла иметь сдвига и вращения относительно трех координатных осей. При выполнении этого условия заготовка лишается всех степеней свободы. Количество установочных элементов (точек) должно быть равным шести (правило шести точек); их взаимное положение должно обеспечивать достаточную устойчивость заготовки в приспособлении. На рис. 26, а показан пример установки заготовок на шесть точек. Из схемы видно, что после закрепления заготовки силой Q она получает вполне ориентированное положение в пространстве.

В зависимости от условий выполнения технологической операции может быть допущена частичная (неполная) ориентация заготовки. На рис. 26, б показана схема установки диска на пять точек. Плоским торцом диск опирается на три точки, а цилиндрической поверхностью соприкасается с двумя остальными. Если по условиям обработки можно снять площадку в произвольном месте, до пяти опор оказывается совершенно достаточно. На рис. 26, в показана схема установки круглой заготовки на три точки для обдирочного шлифования ее верхнего торца; для выдерживания размера Н по толщине точная установка в горизонтальной плоскости и относительно вертикальной оси не требуется.

При установке на черновые базы применяют установочные элементы в виде точечных опор (штифтов). При установке на точные и чисто обработанные базы во избежание вмятин используют, опорные пластинки или другие элементы с развитой опорной поверхностью.

Для выяснения вопроса о влиянии постоянства баз на погрешность базирования рассмотрим два варианта обработки корпусной детали на настроенном станке до размеров а, b и h (рис. 27, а).

Нижняя плоскость принята за основную установочную базу. Боковые плоскости 1 и 2 используют в первом варианте обработки в качестве последовательно изменяемых установочных баз. Эти базы обработаны на предшествующих операциях; при этом от оси заготовки до плоскости 1  выдержан размер А с допуском . Во втором варианте обработки используется постоянная база 1. При определении погрешностей базирования воспользуемся уравнениями размерных цепей. Схемы цепей показаны на эскизах установки.

Для обработки плоскости до размера а ориентируем заготовку по боковой плоскости 1 (рис. 27, б).

Погрешность базирования для выполняемого размера а равна допуску на размер, связывающий установочную и измерительную базы, т. е. допуску на размер А:



Для обработки до размера ориентируем деталь по боковой плоскости 2 (рис. 27, в). В этом случае из размерной цепи имеем

Здесь — допуск на размер х, связывающий установочную и измерительную базы.

Для обработки плоскости до размера h вновь изменим схему установки (рис. 27, г) и, пользуясь тем же методом расчета, получаем

Меньшие погрешности базирования получаются при обработке плоскостей до размеров а, b и h по второму варианту, ориентируя заготовку во всех трех установках по единой не измеряемой базе 1. Тогда при обработке до размера а (см. рис. 27, б)

,  т.е.

при обработке до размера b(рис. 27, б)

, т.е.

т.к.

,

при обработке до размера h (рис. 27, e)

.

Это обусловлено тем, что размер h связывает поверхности, обработанные при одной и той же установке заготовки.

Таким образом, в двух последних случаях (см. рис. 27, д и е) погрешность базирования уменьшилась.

Анализируя погрешности базирования при переменных и постоянных базах для различных случаев обработки, приходим к выводу, что применением постоянных баз достигается уменьшение погрешности газирования. Каждая смена установочной базы при выполнении технологического процесса вносит новые погрешности, зависящие от неточностей взаимного расположения баз. Сопоставляя различные схемы установки при постоянной базе, выбирают из них такую, которая обеспечивает наименьшую погрешность базирования и более жесткие допуски выдерживаемых размеров.

Указываемые на рабочих чертежах размеры, вытекающие из конфуктивных  связей,   часто  не  соответствуют  условиям  построения монологического  процесса  и  неудобны для  выполнения   измерения дорабатываемых заготовок. По технологическим соображениям пригодится   иногда   изменять   принятые   конструктором   измерительные базы. В этих случаях, а также при перемене установочных баз в процесе обработки, необходимо производить пересчет размеров и допусков на базе, геометрического анализа связей между конструктивными размерами и принятыми базами.

Рассмотрим в виде примера чертеж кривошипного валика (рис. 28). Для условий эксплуатации важно, чтобы при изготовлении валика были выдержаны размеры l1 , l2 и L; при этом размер L задан с жестким допуском. Непосредственное измерение размера L в производственных условиях осуществить не представляется возможным. Удобно измерять размер x1 или размер х". Определяя один из этих размеров, технолог должен задать на него допуск, обеспечивающий соблюдение заданного конструктором допуска на размер L. Исходя из этого условии задачу можно решить следующим образом.

Если технолог решил вместо размера L задать размер х', то для цепи размеров L, l1/2, l2/2 и х' можно написать

где l — допуск   на замыкающее звено размерной цепи,   который должен  быть выдержан. Отсюда   имеем

Тот же результат, можно получить и в отношении размера х". Из расчета видно, что допуски на размеры  и /2 должны быть более жесткими, чем допуск па заданный размер L, а допуск на размер х' должен быть меньше  .

       Рассмотрим   пример   пересчета   до пусков при изменении цепного способа простановки размеров (рис. 29, a) на координатный от единой измерительной базы (рис. 29, б). При пересчете допусков нужно иметь в виду, что каждый размер, проставленный конструктором по цепному способу, является замыкающим звеном цепи соответствующих

размеров координатного способа. Заданные конструктором допуски должны быть в процессе обработки выдержаны.. Найдем сперва допуски на координатные размеры  и L2, обеспечивающие точность выполнения размера l2 с наименьшим допуском  . Из размерной цепи следует, что.

                                  

Можно принять, что

                           

Допуски на размеры L3 и L4 найдем аналогичным путем из другой размерной цепи

                                                       

 Соответственно примем

                      

                                 

При найденных допусках на размеры L1,L2, L3 и L4 допуски на размеры l2 и  будут полностью выдержаны. Допуски на размеры l1 и l3 будут также выдержаны, но с большим вынужденным их уменьшением. Так, на размер l1 вместо допуска 800 мкм назначается допуск 25 мкм. Допуск на размер l3 с 500 мкм уменьшается до значения

                                                             

Если бы допуски на все размеры по рис. 29, а были одинаковы, то допуски на размеры по координатному способу следовало бы уменьшить в среднем в два раза.


Рассмотрим еще один пример пересчета допусков, связанный с изменением измерительной базы. На рис. 29, в показана корпусная деталь, в которой растачивается два отверстия. Размеры l1 и l2 конструктором проставлены от верхней плоскости, на которую устанавливается другая корпусная деталь. Расточки и этой детали связаны с расточками в рассматриваемой детали размерными соотношениями. В качестве установочной базы используется нижняя плоскость детали. Необходимо найти допуски на новые размеры L1 и L2, а также на размер H.

Найдем сперва допуск на размеры  и H. Для этого рассмотрим цепи размеров H,  и , в которой размер l1 является замыкающим звеном.

                  

                                    

Примем  и .   Для определения допуска на размер  рассмотрим цепь размеров Н, и /2

                                  

Отсюда

                          

Из рассмотренных примеров видно, что при пересчете размеров обычно приходится делать более жесткими допуски на новые размеры.

§ 14. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ТОЧНОСТЬ ОБРАБОТКИ

Упругие деформации технологической системы под влиянием силы резания. При механической обработке станок, приспособление, обрабатываемая заготовка и режущий инструмент представляют собой замкнутую упругую систему, которую далее будем называть т е х н о л о г и ч е с к о й   системой.

В процессе обработки сила резания изменяется в результате неравномерности глубины резания из-за непостоянства размеров заготовок в партии, нестабильности механических свойств материала заготовок и прогрессирующего затупления инструмента. Сила резания при обработке вызывает упругие отжатия элементов технологической системы. Их величина зависит как от силы резания, так и от жесткости элементов, т. е. их способности противостоять действующей силе.

Нестабильность силы резания и жесткости элементов в их различных сечениях вызывает неравномерность упругих отжатий элементов системы, в результате чего возникают погрешности формы обработанной поверхности у индивидуальных заготовок и колебания размеров заготовок в партии. Таким образом, точность обработки зависит от жесткости элементов технологической системы.

Жесткость определяется отношением действующей силы к величине деформации, вызываемой этой силой. С точки зрения точности обработки наибольшее значение имеет составляющая силы резания, направленная по нормали к обрабатываемой поверхности.            Под жесткостью  

                                                   (в кГ/мм) какого-либо элемента технологической системы (например, шпиндельного узла станка) понимают отношение этой составляющей Ру силы резания к смещению у данного элемента в направлении нормали к обрабатываемой поверхности:

.                                                       (27)

Упругие свойства элемента технологической системы можно также характеризовать его податливостью, которая представляет собой величину, обратную жесткости.Она определяется отношением перемещения к силе (в мм/кГ)

                                                                               (28)

             

В ряде случаев на жесткость узлов оказывают влияние и другие составляющие силы резания. Так, например, жесткость суппорта токарного станка при одновременном действии составляющих Py и Pг силы резания выше, чем при действии только одной радиальной составляющей силы резания Pу.

Жесткости элементов технологической системы находят экспериментально. Для этого производят статическое нагружение элемента, возрастающее ступенчато от нуля до некоторой наибольшей величины; для каждой ступени нагружения измеряется отжатие испытуемого элемента в направлении нормали к обрабатывемой поверхности. Затем производят его разгружение, фиксируя остаточные отжатая;' при нагр ужении и разгружении строят зависимости

                                                                                                        

      При этом нагрузочная 1 и разгрузочная 2 ветви характеристики жесткости обычно не совпадают из-за наличия гистерезиса (рис. 30). При повторных многократных     нагружениях и  разгружениях петля гистерезиса становится мало заметной. Зависимость упругих отжатий элементов технологической системы от приложенной силы редко выражается законом прямой. Истинную жесткость для каждого текущего момента нагружения можно найти, беря отношение приращения силы в данной точке кривой к приращению перемещения. Для упрощения технологических расчетов целесообразно пользоваться


средней жесткостью, беря абсциссу точки А за среднее значение силы, возникающей в процессе обработки на данном станке.

Жесткости большей части элементов технологической системы определяют экспериментально; лишь жесткости заготовок простых форм (гладкие валы, планки) и некоторых типов инструментов можно найти расчетным путем. Жесткости узлов новых станков досягают 2000  4000 кГ/мм. В отдельных случаях жесткость возрастает до 10 000 кГ/мм. Жесткости узлов изношенных и разрегулированных станков бывают ниже 1000 кГ/мм. Жесткость узлов часто бывает неодинакова в различных направлениях.

С увеличением жесткости повышается точность и производительность обработки. Увеличение жесткости достигается: уменьшением количества стыков в конструкциях станков и приспособлений; предварительной затяжкой неподвижных стыков посредством резьбовых креплений; тщательной пригонкой сопряженных поверхностей и уменьшением зазоров; уменьшением длины консоли, высоты или вылета элементов технологической системы и увеличением размеров их опорной поверхности; использованием дополнительных опор, люнетов, направляющих скалок и других элементов для заготовок и инструментов.

Для повышения точности обработки важно не только повышать жесткость элементов технологической системы, но и выравнивать ее неравномерность в. различных сечениях и направлениях. При определении упругих отжатии элементов технологической системы силу резания рассчитывают по формулам теории резания, а жесткость находят экспериментально в статическом состоянии. Сила резания непостоянна по своей величине. При установившемся режиме резания она мгновенно (скачкообразно) изменяется от некоторого максимального до минимального значения, что обусловливается характером стружкообразования и непостоянством снимаемого припуска. Амплитуда колебаний силы резания достигает 0,1 ее номинальной величины. Точка приложения силы резания непрерывно перемещается по поверхности обрабатываемой заготовки. Все это придает силе резания не статический, а динамический характер.

В технологических расчетах упругих отжатий значение силы резания следует поэтому умножать на коэффициент динамичности, К. Опыты показывают, что при предварительной обработке этот коэффициент можно брать в пределах 1,21,4, а при чистовой 1,01,2 , причем меньшие значения соответствуют спокойной (безвибрационной) обработке.

Жесткости суппортов, столов, кареток и других узлов не зависят от режимов резания и представляют собой постоянную величину. Лишь жесткости шпинделей, смонтированных на подшипниках скольжения с увеличением скорости вращения несколько повышаются. Это обусловлено возрастающим сопротивлением масляного слоя и наличием гироскопического эффекта вращающихся масс.

Пульсирующий характер силы резания и неоднородная жесткость элементов технологической системы (шпиндельных узлов) по углу поворота предопределяют возникновение вибраций, которые чисто носят характер самовозбуждающихся колебаний (автоколебаний).


Вибрации ухудшают чистоту обработанной поверхности, неблагоприятно влияют на работу режущего инструмента, а также усиливают динамический характер сил резания. Если частота собственных колебаний технологической системы совпадает с частотой колебаний при обработке резанием, то возникает явление резонанса, при котором амплитуда колебаний сильно возрастает. С повышением жесткости элементов технологической системы увеличивается частота и уменьшается амплитуда их собственных колебаний.

В процессе обработки упругие перемещения (отжатия) заготовки и режущего инструмента нарушают установленную наладкой станка закономерность их относительного движения. На рис. 31 дана схема

перемещений. До начала обработки настройкой станка устанавливают заданную глубину резания tзад (рис. 31, а). В процессе обработки заготовка упруго отжимается на величину y1 а инструмент на величину у2 (рис. 31, б). В результате этого заданная глубина резания уменьшается до значения. Для отдельных сечений можно написать

                                      (a)

где     — жесткость   системы   заготовка — приспособление — узел станка,  на  котором при обработке   закрепляется   заготовка; — жесткость  системы   инструмент —  приспособление   (для   крепления инструмента) — узел станка, на котором закреплен инструмент. Радиальная составляющая силы резания

Здесь  и n показатели степеней у величин s, t и НВ. Обозначим   величину      через С. Тогда     

Подставив развернутые выражения у1, у2 и Py в выражение   (а), получим

                                            (б)

При дробном показателе xр точное решение уравнения (б) относительно tфаи неизвестно. Приближенное решение можно получить, пренебрегая влиянием упругих деформаций технологической системы на изменение силы резания. Обозначим                     tзадtфаи =  tост ,  где tост — погрешность обработки, выражаемая расстоянием между заданной и фактически получаемой границами обработки.

При приближенном решении

                                                 (29)

здесь член в скобках представляет собой податливость технологической < п схемы.

Используя полученную формулу можно решать следующие задачи.

Определение погрешности выполняемого размера при обработке партии заготовок.Зная разность между наибольшей и наименьшей величинами tзад пли поле допуска на размер заготовок, можно получить соответствующее поле рассеяния выполняемого размера как разность между получаемыми наибольшей и наименьшей величинами tост. Обозначим поле рассеяния выполняемого размера в данном сечении через . Тогда

Используя выражение (29), получим значение

               

                                       (30)

Жесткости  и берут в направлении по нормали к обрабатываемой поверхности.

Выведенная формула пригодна для условия, когда коэффициент С постоянен. В действительности при обработке партии заготовок их твердость колеблется в установленных пределах от HBmах до. Кроме того, в процессе резания происходит прогрессирующее затупление режущей кромки инструмента, в связи с чем сила резания к концу периода его стойкости возрастает.

Таким образом.

При определении  нужно ориентироваться на работу вновь заточенным инструментом выбранной геометрии. При определении Q max учитывают возрастание силы резания от допустимого отклонения в геометрии его заточки. С учетом изложенного на основе формулы (30) можно написать более точное выражение для определения :

                                                                                                              

                                                 (31)

                


Принимая во внимание нестабильность жесткости технологичской системы, величину  нужно определять по тем сечениям, где жесткость минимальна.

Определен и е   п о г р е ш н ост и    ф о р м ы    обрабатываемой   поверхности  у  индивидуальной заготовки. Выражая Jзаг (для некоторых частных случаев Jинс) как функцию размеров заготовки, можно вычислить погрешность

формы обрабатываемой поверхности в результате изменения жесткости технологической системы на различных участках заготовки.

Принимая при обработке индивидуальной заготовки величины tзад и С постоянными,, но максимальными по своим значениям, найдем наибольшую погрешность формы обрабатываемой поверхности.

      [ (1/+1/)-

               

                                    -].                                                    (32)

 

Из полученной формулы видно, что уменьшения погрешности формы обрабатываемой поверхности можно достичь» путем выравнивания жесткости технологической системы в различных сечениях заготовки.

Определение степени уменьшения (копирования) погрешности формы, погрешности взаимного положения поверхностей и  погрешностей размеров  заготовки. В условиях упругой технологической системы погрешности, полученные на предшествующем технологическом переходе, не могут быть полностью устранены на выполняемом переходе. С увеличением жесткости технологической системы упругие отжатия ее элементов уменьшаются, предопределяя соответствующее уменьшение остаточных погрешностей обрабатываемой заготовки. При постоянной жесткости технологической системы в различных сечениях обрабатываемой заготовки и показателе степени при глубине резания, равном единице, происходит копирование первичных погрешностей заготовки в уменьшенном виде. Если, например, поверхность заготовки имеет искажение формы, то посыле обработки это искажение уменьшается, а форма поверхности остается подобной. Предположим, что заготовка, из которой за один проход вытачивают цилиндрическую деталь длиной /, имеет погрешность формы в виде конусности. Величина этой конусности

                                    / l.

После обработки на детали в результате непрерывно изменяющихся отжатий технологической системы из-за переменной глубины резания  возникает остаточная конусность.

                                      

                                     / l.  

Коэффициент уменьшения погрешности формы для данного случая

                                              

                                      = /                              (33)

При наличии погрешностей взаимного положения поверхностей заготовки также имеет место явление копирования первичных погрешностей. Рассмотрим в качестве примера протачивание торца заготовки, плоскость которого не перпендикулярна к оси вращения. После обработки за один проход торец останется плоским, а угол его перекоса уменьшится.  Если торцовое биение до обработки равно,то после обработки оно  будет .Коэффициент уменьшения  погрешности находят также по формуле  (33).

В условиях переменной жесткости технологической системы картина изменяется. При обработке заготовки с геометрически правильной формой поверхности и постоянной величиной припуска величина tост не будет стабильной из-за непрерывного изменения жесткости системы на различных участках заготовки. В этом случае происходит искажение формы обрабатываемой поверхности. При наличии погрешностей формы заготовки и дробном показателе степени при глубине резания явление еще более усложняется и обработанная поверхность может получить дополнительное искажение формы. Тем не менее, погрешности обработанной детали при достаточно большой жесткости технологической системы могут быть значительно уменьшены по сравнению с погрешностями исходной заготовки. Поскольку перечисленные условия носят общий характер, приходится в целом говорить не о явлениях копирования, а о последовательном уменьшении первичных погрешностей в процессе обработки.

Коэффициент уменьшения погрешностей ky можно определять как для отдельных размеров в заданном сечении детали, так и для всей ее поверхности в целом. Его величина в общем виде определяется отношением

                                                                                                   (34)

где  — погрешность   обработанной детали;   — погрешность исходной заготовки.

Величину этого коэффициента при выдерживании размера в случае обработки партии  заготовок  можно найти по формуле (34), приняв

=

==

Найдем этот коэффициент для характеристики уменьшения погрешности формы обтачиваемой за один проход шейки вала в условиях переменной жесткости технологической системы:

                                                                                                                                                                       

                                                                                           (35)

где-погрешность формы обтачиваемой шейки вала; -погрешность формы шейки заготовки;

    Величины  и  можно найти по формуле

предварительно вычислив для отдельных сечений наибольшее и нал-меньшее значения произведен

Аналогичным путем можно найти этот коэффициент и для характеристики уменьшения погрешности взаимного положения поверхностей детали.

При обработке за несколько проходов общий коэффициент уменьшения погрешностей

                                                                                 (36)

                                                           

где п — количество проходов, а  ... — коэффициенты уменьшения погрешностей, полученные на отдельных проходах.

Коэффициент уменьшения погрешностей всегда меньше единицы. Поэтому при большом количестве проходов величина koy получается очень малой.

Рассмотрим обработку поверхности заготовки за несколько (n) проходов па одном и том же станке, приняв  (обычно 0,9 < < 1,0). Согласно определению общий коэффициент уменьшения погрешностей

                                (a)

где Zmax и Zmin — наибольший и наименьший  припуски на все проходы обработки поверхности в партии заготовок.

В то же время

                                                       (б)

Здесь

Здесь  — допуск на размер заготовки и

Приняв во внимание,   что   в   выражениях   (а)   и   (б)  получим

.

Используя   полученное   выражение   можно   найти:    1) необходимую жесткость технологической системы, если задано число  проходов  n,допуск  на размер заготовки   и допустимая погрешность обработки детали                                                                                               

                                                                                (37)            

2) число проходов , если известна жесткость технологической системы

                               

                                       .                                                  (38)    

                                       


Формулы (31), (32) и (34) позволяют определять возникающие при механической обработке погрешности размеров, формы и взаимного положения поверхностей детали. Анализ этих формул позволяет сделать следующие выводы.

При обработке партии заготовок на предварительно настроенном станке точность выдерживаемых размеров возрастает с увеличением

жесткости технологической системы, т. е.  уменьшением  члена

в формуле   (31); повышением точности выполнения исходных  заготовок, т. е. уменьшением разности tзад. mах tзад. min; повышением однородности механических свойств обрабатываемого материала и стабильности условий выполняемой обработки, т. е. уменьшением разности СmахCmln.

При обработке индивидуальной заготовки на предварительно настроенном станке или методом индивидуального получения размера возникающая погрешность формы обрабатываемой поверхности может быть уменьшена в результате выравнивания жесткости технологической системы, т. е. уменьшения члена в квадратных скобках в формуле (32); уменьшения снимаемого припуска, т. е. глубины резания  tзад. mах (это, в  частности, можно получить при обработке за несколько проходов); а также уменьшения силы резания, вследствие улучшения геометрии и качества заточки режущего инструмента, а в отдельных случаях и уменьшения подачи [Сmах в формуле (32)]. Учитывая явления копирования, следует также повышать точность формы обрабатываемой поверхности заготовки

Для уменьшения погрешностей взаимного положения поверхностей детали, как это видно из формулы (34), нужно повышать жесткость технологической системы, точность выполнения заготовки (в результате чего уменьшается разность , а также принимать указанные выше меры для уменьшения силы резания.

Уменьшение погрешностей формы и взаимного положения обрабатываемых поверхностей детали может быть достигнуто и другими технологическими мероприятиями. Погрешность формы можно, например, уменьшить, ведя обработку с непрерывно изменяющейся подачей. По мере приближения режущего инструмента к участку с наибольшей жесткостью подача увеличивается. В результате этого можно


получить постоянное значение tост по всей обрабатываемой поверхности. Изменение подачи в функции пути должно происходить по такому закону, чтобы упругие отжимы (при постоянном припуске) были постоянны.

Обработка с переменной подачей не только уменьшает погрешность формы поверхности, но и сокращает время ее обработки. Непрерывное изменение подачи в станках по заданному закону может быть обеспечено при помощи механических, гидравлических или иных устройств.

Повышения точности и производительности обработки достигают также применением адаптивных устройств управления технологически ivi и системами [1]. При непостоянстве припуска или твердости материала заготовок эти устройства самонастраиваются автоматически, изменяя режим обработки. На станках с программным управлением повышение точности формы можно достичь, применяя предъискажение траектории движения режущего инструмента, записываемое на программоноситель (перфоленту, магнитную ленту).

Рассмотрим численное определение погрешности обработки, вызываемое упругими отжатиями элементов технологической системы.

Пример 1. Определить продолы рассеяния диаметральных размеров партии стальных шайб, обтачиваемых на предварительно настроенном станке. Заготовки шайб закрепляют на консольной оправке. Жесткость узла шпиндель—оправка-заготовка  = 500 кГ/мм. Жесткость узла суппорт-резец = 800 кГ/мм, tзад. mах = 4 мм; tзад. min =2.5 мм; Сmах = 130; Cmin = 100. Показатель степени при глубине резания = 0,9.

Решение. Разность предельных величин упругих отжатий для партии шайб после обтачивания найдем по формуле (31). Подставляя известные величины, получаем

Разность предельных значений диаметральных размеров шайб после обтачивания равна удвоенной величине , т. е. 1,56 мм.

Пример 2. Определить погрешность формы консолью обтачиваемой заготовки. Жесткость заготовки на свободном конце  = 300 кГ/мм, жесткость заготовки в месте закрепления =500 кГ/мм. Жесткость узла суппорт-резец , = 800 кГ/мм, мм, Сmах  =130;  = 0,9.

Решение. Погрешность формы обточенной поверхности находим по формуле (32)

             

Пример3.Определить число проходов  для условий обработки примера  1, если допустимая погрешность размера детали составляет 0,4 мм (на диаметр).

Решение.По формуле (38) находим  число проходов ,приняв   = 1.

Принимаем n = 2.

На основе общей зависимости (29) можно получить расчетные формулы для различных случаев одноинструментной обработки. При выводе этих формул необходимо обобщенные значения и  выразить через конкретные величины жесткостей элементов данной технологической системы.

Рассмотрим обработку гладкого вала в центрах токарного станка. Для любого поперечного сечения обрабатываемой заготовки можно написать уравнение

где y1 — смещение заготовки, вызываемое упругими отжатиями передней и задней бабок; у2 — прогиб заготовки в месте приложения силы Ру;— упругий отжим суппорта.

По аналогии со случаем жесткой балки на двух упругих опорах будем иметь

где x-расстояние от переднего центра до рассматриваемого сечения;l-длинна заготовки; -жесткость передней бабки; -жесткость задней бабки;

        Учитывая, что        получаем окончательно

                                           (39)

Три первых слагаемых в квадратных скобках представляют собой развернутое выражение величины, а слагаемое - величину  Погрешности обработки tОст, полученные по этому уравнению для различных сечений заготовки, отсчитывают от заданной теоретической образующей обработанной поверхности. При малой жесткости заготовки третий член в квадратных скобках относительно велик. В этом случае форма обработанной поверхности гладкого вала получается бочкообразной (рис. 32, а). При большой жесткости-заготовки этот член мал. Если обработка производится на станке с пониженной жесткостью, то форма обточенной поверхности получается корсетной, т. е. с утолщениями по краям (рис. 32, б). При большой жесткости передней бабки и малой жесткости задней образующая обточенного жесткого вала имеет утолщение с одной стороны (рис. 32, в). Тонкими линиями показаны теоретические (заданные) образующие обработанного вала, а жирными — фактически получаемые.

Рассмотрим обработку валов на круглошлифовальных станках. Если ширина шлифовального круга мала, то его давление на .заготовку в радиальном направлении осуществляется по небольшой площадке. По аналогии с точением в центрах уравнение образующей прошлифованной за один проход заготовки может быть представлено следующим выражением:

                                 (40)

где -жесткость узла шпинделя шлифовального круга

При многопроходном шлифовании с определенными условиями можно получить постепенное уменьшение погрешностей после каждого прохода. На рис. 33, а схематически показаны слои металла, соответствующие различным проходам при постоянной подаче шлифовального круга на глубину. Сплошные линии означают границы снимаемых слоев при абсолютно жесткой технологической системы. Штриховыми линиями указаны фактические профили заготовки после отдельных проходов. Рассматривая какое-либо поперечное сечение заготовки (1—1 или 2—2), можно видеть, что при достаточно большой

подаче на глубину на каждом последующем проходе погрешность обработки tост увеличивается. Это накопление погрешности будет большим там, где жесткость технологической системы меньше. Накопление погрешностей обусловлено тем, что на всех последующих проходах заданная глубина резания возрастает на систематически увеличивающую погрешность обработки tост .

      Показатель степени при глубине резания для многих случаев близок к единице. Приняв = 1    и   обозначив  произведение коэффициента С на     

       член в квадратных скобках в формуле (40) через А (A<1) будем иметь:

погрешность после второго прохода

                                             

погрешность после n-го прохода

                  (41)


На рис. 33, б показан график роста погрешностей после каждого последующего прохода. Кривая 1 характеризует накопление погрешностей при менее жесткой, а кривая 2 при более жесткой системе.

Чтобы при каждом последующем проходе не происходило увеличения погрешности обработки, (как это показано на рис. 33, б, кривая 3) необходимо выдержать следующие условия. Если при первом проходе подача на глубину составляет  то соответствующая ей погрешность обработки

    

Чтобы при втором проходе погрешность  обработки t2ост не превышала t1ост необходимо подачу   круга на глубину принять

При третьем проходе

и т. д. Таким образом, на всех последующих проходах (начиная со второго), подача круга на глубину должна быть установлена постоянной, но меньше, чем при первом проходе на величину t1ост.

При желании получить постепенное уменьшение погрешностей обработки, при каждом последующем проходе необходимо подачу на глубину уменьшать на определенную величину. В данном случае должно выдерживаться условие

                                     

где а — некоторая постоянная величина, зависящая от жесткости технологической системы.

Изменение погрешностей обработки соответственно написанному выражению, характеризует кривая 4. При шлифовании с «выхаживанием» погрешность обработки при каждом последующем проходе уменьшается (кривая 5). Количество проходов, необходимых для достижения допустимой остаточной погрешности, зависит от жесткости технологической системы. Если после последнего прохода, осуществляемого с подачей круга на глубину, погрешность обработки получилась равной t1ост , то после второго прохода с выключенной подачей погрешность обработки .

После третьего прохода погрешность обработки

.


После n-го прохода

                                                              

Чем жестче система, тем круче падение кривой и, следовательно, для достижения заданной точности обработки необходимо меньшее количество проходов.

Логарифмируя выражение , можно найти необходимое количество проходов для получения заданной точности обработки:

                                  (42)

В приведенных примерах во внимание принималось только действие составляющей силы резания Ру . В некоторых случаях приходится учитывать также и влияние оставляющей Рх .

При многоинструментной обработке по принципу параллельной концентрации технологических переходов расчет погрешностей приходится делать по отдельным обрабатываемым участкам (поверхностям) заготовки. Для каждого участка погрешность формы может быть найдена вычислением фактической глубины резания в разных сечениях. Расчеты эти более сложны. Примеры их рассмотрены в специальной литературе [5].

Деформация заготовок от действия зажимных сил. При закреплении заготовок в приспособлениях или непосредственно на станке при помощи универсальных устройств часто возникают их общие или местные деформации. Эти деформации обычно вызывают погрешности формы обработанной поверхности. Так, при закреплении тонкостенного кольца в трех кулачковом патроне оно деформируется, принимая форму, показанную на рис. 34, а. После расточки отверстия обработанная поверхность сохраняет правильную форму до открепления заготовок (рис. 34, б). После снятия заготовки из патрона кольцо упруго восстанавливает свою деформированную зажимными силами Q форму, а обработанная поверхность искажается (рис. 34, в). Погрешность формы этой поверхности определяется разностью диаметров вписанной и описанной окружностей.

                                            


Зная абсолютные значения прогиба у1 кольца в местах контакта его с кулачками и его выпучивания у2 между кулачками при закреплении можно погрешность формы представить в виде следующего выражения

                                                                                            (43)

Значения   и   приведены в табл. 3.

Таблица 3

Значения прогибов и выпучиваний тонкостенных колец

при закреплении в патронах

Схема закрепления

Прогиб кольца y1

Выпучивание кольца y2

Погрешность формы Δф

В трехкулачковом патроне        .  .  .  .

0,016С

-0,014С

0,06С

В четырехкулач-ковом патроне  . . .   

0,016С

-0,005С

0,023С

В шестикулач-ковом патроне  . . .        

0,0017С

-0,0016С

0,006С

II р и м е ч а н и е.

 мм,

где q — сила на кулачке, кГ; R — радиус окружности, проходящей через нейтральную ось поперечного сечения кольца, мм; Е — модуль упругости материала кольца, ; J-момент инерции поперечного сечения кольца, мм4 .

Относительно большие деформации могут возникать при закреплении тонкостенных нежестких заготовок (кольца, гильзы, трубы, корпусные и другие детали). Эти деформации снижают работоспособность деталей в машинах. Так, некруглость колец может снизить долговечность подшипников качения в несколько раз. Для их уменьшения (что очень важно на отделочных операциях обработки) следует правильно выбирать схему установки и закрепления. Для уменьшения прогиба стенок корпусных деталей, рычагов и других деталей нужно стремиться к тому, чтобы зажимные силы были приложены против установочных элементов приспособления. В ряде случаев для уменьшения деформации обрабатываемых заготовок при закреплении применяют приспособления специального типа. Так, для уменьшения радиальных деформаций колец применяют их закрепление по торцам.

Размерный износ режущего инструмента. В процессе обработки наблюдается износ режущего инструмента. При чистовой обработке происходит износ по задней поверхности (рис. 35, а). Следствием этого является как бы отдаление режущей кромке на величину и от обрабатываемой поверхности. Износ, вызываемый трением, в процессе обработки протекает непрерывно. Его величину в первом приближении можно считать прямо пропорциональной времени резания или пути, пройденному режущим инструментом в металле заготовки.

У инструментов, изготовленных из некоторых сталей (например, ХВГ), помимо истирания контактных поверхностей, наблюдается ок-

           


ругление режущей кромки. У твердосплавного инструмента в большей мере, чем у всех остальных, режущая кромка подвержена выкрашиванию.

Величину размерного износа инструментов определяют по нормали к обрабатываемой поверхности пли (что менее точно) умножением ширины фаски h на тангенс заднего угла  (см , рис. 35, а).

Изучение размерного износа показало, что этот процесс не подчиняется строго линейному закону (рис. 35, б). Первый непродолжительный период работы режущего инструмента сопровождается повышенным размерным износом (участок 1 ). Второй (основной) период характеризуется нормальным износом инструмента (участок 11).

Участок 11 прямолинеен и проходит под небольшим углом наклона к оси абсцисс. Третий период (участок 111) связан с быстрым износом инструмента; через короткий промежуток времени происходит разрушение его режущей кромки.

Интенсивность размерного износа на участке 11 можно характеризовать тангенсом угла наклона  этого участка к оси абсцисс. Данную величину принято называть от носитель н  ы м (удельным)  и з н о с о м : 

                                          

где— размерный износ, полученный за время основного периода работы инструмента;  — путь резания, соответствующий этому же периоду работы инструмента.

Удобная для расчетов размерность величины   мк/км. Упрощение расчета размерного износа можно получить, заменив кривую на рис. 35, б прямой aa. Эта прямая совпадает с кривой на участке 11 и отсекает на оси ординат отрезок , который характеризует величину износа на участке 1. Величину  называют       н а ч а л ь н ы м  и з н о с о м   и  выражают в мкм. Зная для данных условий обработки


значеня  и  можно определить размерный износ (в мкм), на длине пути резания L по формуле

                                                                                  (44)          где L — в метрах.

Приняв за основу формулу (44), можно представить ее в следующич видоизменениях для различных   методов   обработки:   при продольном точении

                                                                             (45)   

где d и l — диаметр и длина обрабатываемой  поверхности;   s — подача на оборот.                         

        При строгании

                                                                               (46)  

Здесь / и В — длина и ширина обрабатываемой прямоугольной плоскости; s — подача на один двойной ход.

       При протягивании партии деталей

                                                                                (47)

где l — длина протягиваемого отверстия и n — количество деталей и партии.

Величина относительного износа зависит от метода обработки, обрабатываемого материала, материала режущего инструмента, режимов резания и геометрии режущего инструмента.

Обрабатываемый материал и, в частности, его твердость оказывают большое влияние на относительный износ инструмента. С повышением твердости материала относительный износ возрастает. Влияние обрабатываемого материала и материала режущего инструмента на значения величин  и  приведены в табл. 4.

Таблица 4

Средние значения начального (uн) и относительного

(u0)  износа режущих инструментов при чистовом точении и растачивании

Обрабатываемый материал

Материал режущего инструмента

Начальный износ, мкм

Относительный износ, мкм/км

Сталь углеродистая и легированная

Серый чугун

Сталь углеродистая и легированная

Закалённый чугун НВ400

Цветные сплавы

Т15К6, Т30К4

ВК4
ВК8

Минералокерамичес-кие пластинки ЦМ332

То же

Алмаз (при тонком растачивании)

2-8

3-10

1-3

10

-

2-10

3-12

0,5-1,0

9

0,0005-0,001

При обработке заготовок больших  размеров размерный износ режущего инструмента влияет на искажение формы их поверхностей.


       Если обтачиванию подвергается длинный вал большого диаметра, то по мере перемещения резца от задней бабки к передней диаметр обрабатываемой поверхности непрерывно возрастает и поверхность получается слабо конической. Появление конусности также наблюдается при растачивании глубоких отверстий.

При обработке партии небольших заготовок искажение формы поверхностей невелико. Размерный износ инструмента в этом случае сказывается на непрерывном увеличении размеров деталей в партии. При обтачивании партии валиков диаметр последнего валика увеличивается на .

Пример. На токарно-револьверном станке обрабатывается партия деталей из стали 45. Диаметр обтачиваемой поверхности детали d = 20 мм, длина l= 30 подача s = 0,3 мм/об, скорость резания 100 м/мин; резец с пластинкой из твердого сплава Т15К6. Определить увеличение диаметра последней детали в партии из 500 шт, если обработка ведется без подналадки инструмента.

Решение. Размерный износ определяем по формуле

где п — количество деталей в партии gппартии.

Приняв по табл. 4 ип -= 5 мкм и и0 ~  10 мкм/км, получим

                                             

       Приняв по табл. 4 и получим

Увеличение диаметра последней детали в партии составляет=  72 мкм.

Уменьшать влияние размерного износа на точность механической обработки можно периодической подналадкой станка за время стойкости инструмента. Этот метод может быть применен для резцов, фрез и других инструментов, допускающих корректировку настроечного размера изменением расстояния между заготовкой и режущей кромкой инструмента, а также для инструментов, имеющих регулировку (раздвижные развертки, бор штанги).

При обтачивании, растачивании и строгании больших поверхностей небольшой размерный износ имеют резцы с широкой режущей кромкой. Работа этих резцов протекает с большими подачами; поэтому путь резца в металле, а следовательно, и размерный износ инструмента получаются небольшими. При обработке деталей методом пробных проходов от размерного износа зависит только точность формы обрабатываемой поверхности. При обработке деталей на настроенных станках размерный износ режущих инструментов можно своевременно контролировать проверкой изделий обычными методами или средствами статистического контроля. В обычных условиях размерный износ обнаруживается непрерывным увеличением выполняемого размера. Производя в нужный момент подналадку или смену режущего инструмента, можно регламентировать влияние размерного износа на точность обработки в желаемых пределах. Таким образом, точность обработки в определенной степени зависит от субъективного (волевого) фактора.

Применение автоматических подналадчиков в значительной мере уменьшает влияние размерного износа режущего инструмента на точность обработки. На рис. 35, в дана схема работы автоматического подналадчика. По оси ординат отложено приращение радиальных


размеров обрабатываемых деталей в результате размерного износа инструмента, по оси абсцисс—время или путь резания. Верхняя кривая характеризует протекание размерного износа. Расстояние с между осью абсцисс и линией аа равно некоторой части допуска на выполняемый размер. Если размер обрабатываемой детали выходит за установленные пределы, то подналадчик корректирует положение режущего инструмента. Работа подналадчика характеризуется вертикальными участками пилообразной линии на рис. 35, в.

Прогрессирующий износ и затупление режущего инструмента вызывает также увеличение радиальной составляющей силы резания. За период стойкости инструмента сила Ру может возрасти на несколько десятков процентов от ее первоначального значения. При больших значениях Ру и пониженных жесткостях технологической системы погрешности обработки, вызванные возрастанием радиальной составляющей силы резания, могут быть сопоставимы по величине с погрешностями в результате размерного износа инструмента.

При абразивной обработке на точность влияет размерный износ шлифовальных кругов. В процессе шлифования круги могут работать с затуплением и самозатачиванием. В первом случае затупившиеся зерна не отделяются и поры круга забиваются стружкой; износ круга при этом сравнительно мал. Для восстановления режущих свойств  шлифовального круга его правят, срезая тонкий наружный слой. Во втором случае затупленные зерна силами резания вырываются из связки круга. При этом режущая поверхность круга непрерывно обновляется, так как в работу вступают новые не затупленные зерна. Работа с самозатачиванием связана с большим износом круга. При этом круг также правят для восстановления геометрических форм, так как его износ протекает неравномерно.

Интенсивность износа шлифовального круга зависит от его диаметра. Круги большого диаметра, обычно применяемые при наружном круглом шлифовании, изнашиваются во много раз медленнее, чем круги, используемые при внутреннем шлифовании. Если правка кругов при круглом шлифовании производится через 15—20 мин, то на внутришлифовальных станках, работающих по автоматическому или полуавтоматическому циклу, круг правят перед каждым чистовым проходом.

Обработку заготовок на кругло шлифовальных и внутришлифовальных станках обычно производят методом пробных измерений. В этом случае износ круга не оказывает влияния на точность выполняемых размеров. При использовании индикаторных скоб, позволяющих производить измерение обрабатываемой поверхности на ходу, а также средств активного контроля влияние износа круга исключено. Приближенным путем износ шлифовального круга можно определить по объему удаляемого металла с обрабатываемых заготовок. Производственными наблюдениями установлено, что на один объем материала круга, теряемого при его износе, приходится в среднем 20 объемов удаляемого металла. На основе этого соотношения размерный износ и (на радиус) шлифовального круга можно рассчитывать следующим образом. Обозначим F— шлифуемую поверхность, ; zснимаемый припуск, мм;  п — число деталей в партии; FK — рабочую поверхность шлифовального крута, . Тогда

                                        

откуда

                                                                                                           (48)

Погрешности настройки станка. Периодическая смена затупившегося инструмента вызывает необходимость каждый раз настраивать станок на выполняемый размер. При малых допусках приходится делать одну или несколько поднастроек за время стойкости инструмента путем регулировки его положения относительно детали для компенсации размерного износа. Задача настройки и поднастройки заключается в том, чтобы выполняемые размеры всех деталей партии находились в пределах поля допуска.

В настоящее время известны два принципиально различных метода настройки. По первому методу установку режущего инструмента производят последовательным приближением к заданному настроечному размеру в результате обработки на станке пробных деталей, размеры которых проверяют универсальными измерительными инструментами или предельными калибрами. По данным проверки пробных деталей определяют величину и направление необходимого смещения инструмента. По второму методу режущий инструмент устанавливают в требуемое, заранее рассчитанное по эталону положение. Установку инструмента производят в нерабочем (статическом) состоянии станка или вне его (при использовании съемных суппортов, расточных скалок, револьверных головок и других устройств).

При каждой смене режущего инструмента невозможно обеспечить его установку так, чтобы он занимал совершенно одинаковое положение на станке. Для отдельных партий обрабатываемых деталей оно будет различным. Условимся расстояние между двумя предельными положениями инструмента или поле рассеяния его положений называть погрешностью настройки станка. Эту величину обозначим . Величина  зависит от метода выполнения настройки станка и представляет собой разность между максимальным и минимальным настроечными размерами. Величина погрешности настройки определяется квалификацией наладчика и точностью применяемого измерительного инструмента и эталонов. При выполнении настройки по пробным деталям погрешность настройки является также функцией неточности расчета, свойственной данному методу. При настройке по пробным деталям о точности настройки судят по результатам измерений обработанных деталей. Обычно среднее арифметическое из полученных размеров принимают за центр группирования размеров у партии деталей, обрабатываемых при данной настройке. Задача настройщика — добиться возможно полного совмещения этого центра группирования с точкой, соответствующей настроечному размеру. Если вычисленное значение среднего арифметического из размеров пробных деталей отличается от настроечного размера, то настройщик производит корректировку (регулирование) положения инструмента при помощи лимба или другого устройства.


Наличие погрешностей измерения  пробных деталей и погрешностей регулирования  положения инструмента приводит к тому, что центр группирования кривой распределения для каждой партии деталей смещается относительно настроечного размера. Если считать, что неточность измерения пробных деталей и регулирования положения инструмента обусловлено влиянием случайных погрешностей, то сложение величин  и  можно производить по правилу квадратного корня:

                                            (49)

где k= 11,2 — коэффициент, учитывающий отклонение закона распределения погрешностей измерения и регулирования от нормального закона.

Значения  и    приводятся в литературе [4].

Если учесть, что определение величины необходимого смещения инструмента связано с погрешностью метода ее расчета, то погрешность настройки возрастет   до              

                                                                       (50)  

где  — погрешность метода расчета смещения инструмента; эта величина определяется погрешностью вычисления средней арифметической для пробных деталей. Как известно,

                                                   

где   — среднее квадратичное отклонение, характеризующее точность данного метода обработки;  — количество пробных деталей ( = 510).

Если  неизвестно, то приближенно можно принять

                                                     

где  — допуск на выдерживаемый размер.

С достаточной для практических целей точностью можно принимать погрешность настройки равной 2 или брать ее равной 0,1.

Несколько реже применяют настройку станка по пробным деталям с использованием предельных и нормальных калибров. Способ этот менее точен [4] и требует большого количества пробных деталей.

Установку режущего инструмента по эталону обычно применяют при наладке фрезерных и токарных станков. Щупом проверяют расстояние между плоскостью эталона, закрепленного па корпусе приспособления, и зубом фрезы. Точность установки по щупу зависит от квалификации рабочего, величины радиального биения зубьев фрезы (так как установку можно вести по наиболее или наименее выступающему зубу), а также от точности изготовления и степени износа эталона и щупа. Погрешность установки по щупу в данном случае можно ориентировочно оценить в пределах 15—45 мкм.

Настройку по эталону следует отнести к так называемому статическому методу, так как установка инструмента на размер производится при неработающем станке. В этом случае упругие отжимы


звеньев технологической системы приходится учитывать, корректируя соответствующим образом размер эталона. Настройка по эталону отнимает значительно меньше времени, чем другие методы. Особые преимущества имеет данный метод при настройке токарных многорезцовых станков. Необходимое положение резцов в радиальном и осевом направлениях определяется доведением их режущих кромок до соприкасания с соответствующими поверхностями эталона. Последний выполняют в виде обрабатываемой детали и устанавливают в центрах станка. Погрешность настройки по эталону находим по формуле

                                                                          (51)

Погрешность изготовления эталона  можно брать в пределах 10—20 мкм, а эксцентриситет шеек эталона в пределах 5 мкм. Погрешность установки инструмента  по щупу или полоскам бумаги можно принимать равной 20—50 мкм. При k = 1,   составляет 25—60 мкм. Большие значения  можно отнести к настройке обычной точности, а меньшие — к повышенной.

В некоторых случаях необходимо отводить инструмент от обрабатываемой заготовки и затем вновь ставить его в прежнее положение, что производится при помощи жестких или индикаторных упоров. Для обычных условий погрешность установки по жесткому упору составляет 20—50 мкм. Квалифицированный рабочий может ее снизить до 10—15 мкм. Погрешность установки по индикаторным упорам значительно меньше и лежит в пределах 10—20 мкм.

На основании изложенного можно сделать следующие выводы. Настройка по пробным деталям обеспечивает высокую точность, но трудоемка. В условиях массового производства при обработке на автоматах и много инструментальных станках на настройку затрачивается до 20 % общего фонда времени. К недостаткам метода следует отнести и то, что часть пробных деталей идет в брак. Это совершенно неприемлемо для крупных и дорогих изделий. Метод настройки по пробным деталям находит применение для станков с относительно простой наладкой и при небольших размерах обрабатываемых деталей.

Настройка по эталонам менее трудоемка, что обеспечивает более полное использование оборудования во времени. Она дает надежные и стабильные результаты в отношении точности и исключает расход пробных деталей. Преимущества этого метода особенно выделяются для операций обработки с много инструментным оснащением. Настройка по эталону не связана с использованием наладчиков высокой квалификации и может производиться вне станка при наличии сменных инструментальных блоков, суппортов и револьверных головок.

Геометрические неточности станка. Каждый металлообрабатывающий станок состоит из ряда узлов, представляющих собой отдельные звенья единой технологической системы. Одни узлы связаны с обрабатываемой заготовкой, другие — с режущим инструментом. Погрешности взаимного положения неподвижно закрепленных или перемещаемых узлов станка вызванные неточностями его сборки, являются причиной возникновения погрешностей механической обработки.


Погрешности взаимного положения узлов станка (геометрические погрешности станка) влияют на форму и расположение обрабатываемых поверхностей детали, но не оказывают непосредственного влияния на их размеры. Помимо неточностей сборки и неправильной обработки основных деталей станка, его геометрические погрешности могут быть следствием износа.

Допустимые геометрические погрешности станков различного типа регламентированы нормами точности на их приемку приведенными в соответствующих ГОСТах. В этих же нормах даются методы проверки точности. Проверку осуществляют в ненагруженном состоянии, при неподвижном положении узлов станка или медленном их перемещении вручную. В ряде случаев на геометрические погрешности станка влияют неточности его установки и неправильное крепление на фундаменте. Погрешности, указанные в ГОСТе, относятся к новым станкам. Для станков, вышедших из ремонта, нормы точности принимают несколько ниже.

Точность станков влияет на точность обработки. Однако оба понятия нельзя отождествлять. Нормы точности обработки всегда ниже норм точности соответствующих станков. В качестве примера рассмотрим влияние геометрических неточностей станков токарного типа на погрешности механической обработки.

При обработке заготовок, закрепленных в патроне, возможна конусность обтачиваемой цилиндрической поверхности, из-за непараллельности оси вращения шпинделя направляющим станины в горизонтальной плоскости. Если отклонение оси вращения на длине L составляет a, то получаемая конусность обработанной поверхности

                                                               


При отклонении оси вращения только в вертикальной плоскости обтачиваемая поверхность принимает форму гиперболоида. На рис. 36, а ось ОХ представляет собой ось вращения заготовки. Прямая АС — траектория движения резца наклонена к плоскости ХОУ под углом :

                                             

где   — отклонение оси вращения в вертикальной плоскости   на длине.Обозначив радиус обтачиваемой поверхности  при  x=0 через ,найдем его величину для любого значения x:  

                                               .

Подставим вместо  его значение ,получим

                                            

                                                 

                                                                                                    (52)

что представляет собой уравнение гиперболы.

Это легко показать, заменивчерез, если измерять радиус обтачиваемой поверхности в направлении оси. После преобразований будем иметь

                                          

Приращение радиуса  обтачиваемой поверхности ( рис. 36, б)

                                             .                                                (53)

Если ось вращения одновременно отклонена в горизонтальной и вертикальной плоскостях, то обтачиваемая поверхность также представляет собой гиперболоид.

Обозначив а — отклонение оси вращения в горизонтальной и и Ь — в вертикальной плоскостях, получим радиус обтачиваемой поверхности при любом значении х:

                                                                                 (54)

Приращение радиуса обтачиваемой поверхности

                                                                        (55)

Если вместо цилиндрической обтачивается конусная поверхность,
то при отклонении оси вращения в горизонтальной плоскости происходит изменение конусности обрабатываемой поверхности на величину
i= 2a/L.

Отклонение оси вращения в вертикальной плоскости, а также одновременно в горизонтальной и вертикальной плоскостях приводит к образованию вместо конической поверхности гиперболоида.

При шлифовании конических поверхностей смещение оси круга по высоте также приводит к искажению формы шлифуемой поверхности; образующая возникающей при этом поверхности получается не прямолинейной, а выпуклой.

В процессе изготовления колец конических роликовых подшипников эту поверхность, называемую бомбиной или квазигиперболоидом , часто создают искусственно в целях повышения долговечности подшипников.

Неперпендикулярность оси шпинделя к направляющим ползуна каретки в горизонтальной плоскости приводит при протачивании торцовых плоскостей к образованию вогнутых или выпуклых конических поверхностей. Вогнутая поверхность получается при углах между осью шпинделя и направлением движения резца больше 90°, выпуклая — при углах меньше 90°. Установка резца выше или ниже оси вращения приводит к образованию вместо конуса поверхности гиперболоида. Если ось шпинделя наклонена в вертикальной плоскости, го торец протачиваемой заготовки во всех случаях получается плоским. Смещение резца но высоте не вызывает искажения формы торцовой плоскости.

При обработке в центрах их неправильное положение может вызвать характерные погрешности формы и взаимного положения обтачиваемых шеек. Практически встречаются следующие случаи.

Передний центр «бьет», т. е. расположен эксцентрично относительно оси вращения шпинделя, ось заднего центра совпадает с осью вращения; ось обточенной поверхности не совпадает при этом с линией центров заготовки. Если заготовка обтачивается за две установки

(с перевертыванием ее и перестановкой поводкового хомутика), то деталь получается двухосная. Так как угловое положение хомутика ничем не лимитировано, то в общем случае эти оси перекрещиваются, а в частном случае могут пересекаться под углом , где угол  определяется из равенства

                                                  

Здесь   — смещение центра передней бабки;  — расстояние между центрами.

Возможно также смещение на величину  , но параллельное расположение обточенных шеек заготовки. На рис. 37, а и б показаны два последних случая, когда протачивание за каждую установку производится на половину длины детали.

Передний центр установлен концентрично оси вращения, а задний смещен в горизонтальной плоскости. Обтачиваемая цилиндрическая поверхность получается конической.

Если задний центр расположен выше или ниже оси вращения, образующая обтачиваемой поверхности представляет собой гиперболу, вершина которой лежит у переднего центра, Гипербола получается также и в том случае, когда задний центр одновременно смещен в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Если передний центр бьет, а задний смещен в горизонтальной плоскости, то обточенные за две установки участки вала получаются несоосными. Форма обточенных цилиндрических поверхностей искажается в результате образования конусности. В зависимости от смещения заднего центра вперед или назад вершины конусов расположены к концам или к середине вала.

Когда передний центр бьет, а задний смещен в вертикальной или в вертикальной и горизонтальной плоскостях, то при обработке за две установки обточенные участки получаются несоосными, а их форма искажается, так как вместо прямолинейной образующей возникает гипербола.

Биение центров у точных токарных станков допускается до 0,01 мм. Уменьшение биения переднего центра достигается шлифованием после установки его в шпиндель токарного станка.

Несоосность шеек может быть устранена, если обработка ведется па станках с так называемыми «мертвыми» центрами, т. е. на станках, у которых передний и задний центры неподвижны.

Искажение формы образующей обтачиваемой поверхности может быть следствием не прямолинейности и износа направляющих станины, по которым перемещается каретка суппорта. Отклонение от прямолинейности не должно превышать 0,02 мм на 1 м длины.

Не прямолинейность направляющих в вертикальной плоскости мало влияет на изменение диаметральных размеров обрабатываемых заготовок по длине. В то же время не прямолинейность направляющих в горизонтальной плоскости оказывает непосредственное влияние на точность этих размеров. Местное искривление направляющих в результате износа может повлечь за собой образование обрабатываемой поверхности с криволинейной образующей. Износ направляющих при обработке чугунных заготовок больше, чем при обработке стальных, а при обдирке больше, чем при чистовой обработке, в результате больших усилий резания и наличия в снимаемом слое металла окалины и формовочного песка. Интенсивность износа направляющих зависит от коэффициента загрузки станка во времени. В массовом производстве, где этот коэффициент сравнительно высок, износ протекает интенсивнее, чем в серийном и единичном.

Некруглость обточенных поверхностей, лимитируемая строгим требованиями производства точных и быстроходных машин, вызывается изменением положения оси вращения шпинделя станка в процессе обработки. Если шпиндель вращается в подшипниках скольжения, то под действием постоянной по величине и направлению силы резания он отжимается в одну сторону к определенным участкам поверхности подшипников. При этом условии овальность шеек шпинделя передается обтачиваемым поверхностям. Для уменьшения погрешностей формы обтачиваемых поверхностей в поперечном сечении допустимая овальность шеек шпинделя должна быть минимальной. У станков обычной точности овальность может быть не больше 5 мкм. У станков повышенной точности она меньше и часто лежит в пределах чувствительности точных измерительных инструментов.

Овальность несущей поверхности подшипников оказывает меньшее влияние на точность обработки. При неустойчивом режиме резания и неустановившемся характере смазки, когда возможен переход от жидкостного к граничному трению, шпиндель может занимать разное (неопределенное) положение в подшипнике. Такое же явление

наблюдается при чистовом обтачивании. В этом случае радиальная составляющая силы резания мала и зазор в подшипниках полностью по одну сторону не устраняется. В результате этого погрешность выполняемых диаметральных размеров составляет 3—8 мкм (при диаметральных зазорах 0,01—0,02 мм). Овальность подшипников при попеременном поднимании и опускании в них шпинделя вызывает соответствующее искажение формы обтачиваемых поверхностей.

При установке шпинделей на подшипники качения большое значение имеет ограничение их биения, так как оно передается обтачиваемым поверхностям. Для шпинделей токарных и других металлорежущих станков необходимо применять прецизионные подшипники и производить их правильный монтаж.

Неточность изготовления режущего инструмента. Погрешности механической обработки могут быть вызваны неточностью изготовления мерных и фасонных режущих инструментов.

К первым относятся канавочные резцы (например, для прорезки канавок под поршневые кольца), дисковые и пальцевые фрезы для обработки шпоночных пазов, сверла, зенкеры, развертки и протяжки, ко вторым — фасонные резцы и фрезы, специальные протяжки, резьбонарезной инструмент, а также профильные абразивные круги. Ра-бота режущих инструментов обоих типов основана на методе копирования, так как их размер и профиль непосредственно передаются обрабатываемой детали.

При использовании дисковых и пальцевых фрез на точность ширины прорезаемых канавок влияет также осевое и радиальное биения зубьев инструмента в результате его неправильной заточки или установки на станке. Простейшие случаи нежирной обработки имеют место при использовании однолезвийных режущих инструментов. К ним относится, в частности, прорезка канавочным резцом прямоугольной канавки, на ширину которой задан небольшой допуск. Если обрабатывают одну заготовку, то ширина канавки не соответствует в точности ширине резца, а будет всегда несколько больше. Опыты показывают, что разница в ширине сравнительно невелика (0,01—0,03 мм); она зависит от обрабатываемого материала, режимов резания, степени затупления резца и не является постоянной у разных деталей. Пределы изменения этой величины мало зависят от номинальной ширины канавки.

То же наблюдается при обработке партии деталей за одну установку (смену) инструмента. В отличие от предыдущего случая на погрешность выполняемого размера здесь, однако, дополнительно влияет размерный износ резца. Если партия деталей достаточно велика и обработка ведется за несколько смен инструмента, то на погрешность выполняемого размера будет еще дополнительно влиять допуск на размер резца.

Более сложный процесс происходит при обработке многолезвийным инструментом. Точность диаметра отверстий при сверлении их спиральными сверлами определяется допусками на диаметр сверла и погрешностями, возникающими в результате разбивки отверстий. Допуски на диаметр спиральных сверл регламентируются ГОСТ

883— 64. Разбивка отверстий возникает из-за неуравновешенности радиальной силы резания в результате того, что режущие кромки сверл могут быть расположены под разными углами к его оси или смещены по высоте. С увеличением глубины сверления разбивка возрастает в связи с тем, что радиальная жесткость системы сверло— шпиндель из-за увеличивающейся при этом длины консоли снижается. Другая причина разбивки отверстия заключается в несоосности рабочей части сверла и его хвостовика.

Точность диаметра отверстия зависит также от обратной конусности сверла. Значения последней регламентируют ГОСТ 2034—64*. Так, для сверл диаметром свыше 18 мм обратная конусность находится в пределах 0,05—0,1 мм на каждые 100 мм длины. В результате ряда последовательных переточек происходит уменьшение длины, а следовательно, и диаметра сверла.

Сверление отверстий по кондукторным втулкам обеспечивает большую точность их диаметра В данном случае несимметричность заточки и Несоосность элементов сверла меньше влияет на разбивку отверстий. Наличие обратной конусности сверла, однако, несколько снижает эту роль кондукторных втулок, так как с увеличением глубины сверления зазор между инструментом и втулкой возрастает. Производственные наблюдения показывают, что при сверлении обычных (неглубоких) отверстий без кондукторной втулки погрешность их диаметра возрастает в среднем на 50%.

Сверление по кондукторным втулкам обеспечивает большую точность положения оси отверстий. Точность направления сверла в этом случае зависит от величины зазора между инструментом и отверстием втулки, а также от длины втулки. При допусках на диаметр сверл по ГОСТ 885—64* и выполнении отверстий во втулках по посадкам X и Д (для компенсации теплового расширения инструмента в процессе резания) получаются, однако, относительно большие зазоры. Для повышения точности направления сверла возможно выполнение отверстия во втулке по посадке С. Это применяется при сверлении точно расположенных отверстий и соблюдении условий, устраняющих чрезмерное нагревание инструмента в работе и его заедание во втулке.

Для повышения точности направления целесообразно уменьшать допуск па диаметр сверл пли производить сортировку сверл на размерные группы с меньшими отклонениями по диаметру. Точность направления сверла можно повысить применением высоких втулок, длина которых равна шагу винтовых канавок сверла.

Точность диаметра зенкерованных отверстий определяется допуском па размер зенкера и разбивкой обрабатываемых отверстий. Допуск на диаметр зенкера обычно устанавливают в зависимости от допуска па диаметр зенкеруемых отверстий. Ошибки заточки зенкеров приводят к несимметричному положению режущих кромок относительно оси вращения. В результате этого возникает неуравновешенная сила резания, которая, как и при сверлении, вызывает разбивку обрабатываемых отверстий. Разбивка отверстий увеличивается с возрастанием скорости резания, подачи, глубины резания, твердости обрабатываемого материала и обратной конусности. Уменьшение разбивки отверстия наблюдается с увеличением главного угла в плане, заднего угла и жесткости системы. Обратную конусность зенкеров принимают в пределах 0,06—0,10 мм на 100 мм.

Применение кондукторных втулок повышает точность диаметра зенкеруемых отверстий вследствие уменьшения их разбивки. Увод оси отверстий, зенкеруемых в черных заготовках (штамповках и в отливках), также уменьшается в результате того, что кондукторная втулка противодействует упругому отжиму инструмента при наличии неравномерного припуска у отверстий со смещенными осями.

Как и при сверлении, основные погрешности зенкерования зависят от зазора между инструментом и кондукторной втулкой. Чем меньше этот зазор, тем меньше погрешности отверстия.

При развертывании отверстий точность их диаметров во многом зависит от допуска на размер инструмента. Разбивка отверстий при развертывании изучена недостаточно полно. На величину разбивки большое влияние оказывает качество смазочно-охлаждающих жидкостей. При развертывании всухую отверстие разбивается больше. Применение смазочно-охлаждающих жидкостей уменьшает разбивку в 2—4 раза. По мере затупления развертки разбивка увеличивается. При резании острой разверткой минимальная величина разбивки лежит в пределах 5—10 мкм.

Развертывание с малыми скоростями резания (v — 3—5 м/мин) вызывает отрицательную разбивку. С увеличением скорости резания отрицательная разбивка переходит в возрастающую положительную. Явление отрицательной разбивки объясняется влиянием упругих свойств обрабатываемого материала. На положительную разбивку влияют нарост и налипание мельчайших частиц металла на ленточку развертки.

В настоящее время нет достаточно полных данных о влиянии кондукторных втулок на точность развертывания. Учитывая трудность исправления положения оси отверстия, развертывание часто производят без втулок, применяя плавающее крепление инструмента.

При протягивании круглых отверстий допуск на диаметр режущих зубьев протяжки берут в пределах , от подъема зубьев, но не более 0,02 мм. Допуск па диаметр калибрующих зубьев принимают равным 1/3 допуска на протягиваемое отверстие, но не более отклонений посадки С по ОСТ 1012*. При соблюдении указанных допусков обеспечивается точность обработки в пределах 2-го класса.

Тепловые деформации технологической системы. В процессе механической обработки происходит нагрев технологической системы, а при перерывах в работе — ее охлаждение. Источниками нагрева являются: тепло, образующееся в зоне резания, тепло, выделяющееся в узлах станка из-за потерь на трение, а также тепло от внешних источников.

Тепловое состояние системы может быть стационарным и нестационарным. При стационарном тепловом состоянии наблюдается тепловое равновесие системы — подвод тепла количественно равен его потерям. В этом случае температура отдельных звеньев технологической системы постоянна во времени. К условиям стационарного теплового состояния приближаются процессы обработки небольших заготовок на станках, прошедших период предварительного разогрева теплом, возникающим от трения и отводимого из зоны резания смазочно-охлаждающей жидкостью. Нестационарное тепловое состояние наблюдается в период пуска станка после его длительной остановки. Если говорить не о системе в целом, а об отдельной заготовке, то всякий процесс можно считать нестационарным, если выделяющееся при резании тепло заметно нагревает заготовку.

Точный учет всех выделений и потерь тепла сложен. Для упрощения задачи по выявлению влияния тепловых деформаций на точность механической обработки можно рассматривать два периода в работе станка: от начала пуска станка до получения теплового равновесия системы — период нестационарного теплового состояния, далее до окончания обработки — период стационарного теплового состояния.

Рассмотрим отдельно характер нагрева, тепловые деформации отдельных элементов технологической системы и их влияние на точность обработки.

Тепловые деформации станка. Нагрев станины, корпусных и других деталей станков происходит в результате потерь на трение в механизмах, гидроприводах и электроустройствах. Большое количество тепла передается этим деталям смазочно-охлаждающей жидкостью, отводящей тепло от зоны резания, а также от встроенных электродвигателей. Тепло передается также из внешней, окружающей станок, среды.

Нагрев станины перечисленными источниками тепла происходит в большинстве случаев неравномерно; одни части станины нагреваются сильнее других. Это обусловлено нерациональным расположением электродвигателей, электронасосов, резервуаров для масла и охлаждающей жидкости и других источников тепловыделения. Разность температур отдельных элементов станины может достигать 10° С. В этих условиях станина теряет правильную форму и взаимное расположение на ней основных элементов станка нарушается. При доводке новых конструкций станков необходимо обращать внимание на выравнивание температурного поля станины и их лучшее охлаждение. Одним из основных источников образования тепла в станке является шпиндельная бабка. Температура в различных точках корпуса бабки изменяется в пределах 10—50° С. Наиболее высокая температура наблюдается в местах расположения подшипников шпинделя и подшипников быстроходных валов. Температура валов и шпинделей на 30—40% выше средней температуры корпусных деталей, в которых они смонтированы. При большой длине шпинделя необходимо считаться с его осевым перемещением от нагрева, что влияет на точность обработки. Если фиксация шпинделя от осевого перемещения осуществлена у заднего подшипника, то при длине L и разности температур между корпусом и шпинделем перемещение патрона в осевом направлении

где а — термический  коэффициент линейного расширения материала шпинделя.

Приняв, в частном случае, L = 800 мм, = 10° и а = 0,000012, получим L = 0,1 мм. Найденная величина может вызвать значительную погрешность механической обработки на настроенном станке, если ее не компенсировать периодическими подналадками станка.

Относительно сильный нагрев, шпиндельных бабок влечет за собой изменение положения оси шпинделя. Например, шпиндель передней бабки токарного станка может сместиться по вертикали и в горизонтальной плоскости на несколько сотых долей миллиметра.

Большое влияние на точность обработки оказывают тепловые деформации винтов подачи. Для уменьшения этих деформации следует защищать винты от теплового воздействия и делать их возможно меньшей длины. Длина винта оказывает большое влияние на точность перемещений бабки шлифовальных станков. В неудачных конструкциях, где длина рабочего участка винта велика, погрешность может достигать 0,03—0,05 мм.

Тепловые деформации обрабатываемых заготовок. Кроме тепловых деформаций станка, на точность механической обработки влияют также тепловые деформации обрабатываемых заготовок, нагрев которых происходит в результате выделения тепла в процессе резания. Многочисленные исследования показали, что основное количество тепла аккумулируется в стружке. В обрабатываемую заготовку переходит незначительное количество тепла. Это положение справедливо для таких методов обработки, как точение, фрезерование, строгание, наружное протягивание. Для таких методов, как сверление, распределение тепла изменяется — его большая часть остается в заготовке.

При токарной обработке в стружку уходит 50—86% тепла, а при высоких скоростях резания свыше 90%; 10—40% тепла переходит в резец; 3—9% остается в заготовке и около 1% рассеивается в окружающую среду. При сверлении в стружку уходит 28% образующегося тепла, 14% переходит в сверло; 55% остается в заготовке и 3% уходит в окружающую среду.

Применение обильного охлаждения (обработка стали) позволяет практически устранить нагрев заготовки. В этом случае ее тепловые деформации весьма незначительны и их влияние на точность обработки можно не учитывать. Обработка серого чугуна, бронзы и других материалов производится без охлаждения. В этом случае тепловые деформации будут большими.

Наиболее просто тепловые деформации заготовки находятся в предположении ее постоянного температурного поля. Это достаточно точно выдерживается, если обработка поверхности заготовки ведется за несколько проходов, за несколько последовательно выполняемых, переходов, а также несколькими режущими инструментами (много-резцовое обтачивание).

Среднюю температуру нагрева заготовки (в град) можно определить делением полученного ею тепла резания на ее теплоемкость:

                                                 (56)

где с — удельная массовая теплоемкость материала заготовки, ккал/кг-град; р — плотность материала заготовки, кг/см3 ; Vобъем заготовки, см3.

Тепловое расширение (деформация) в направлении линейного размера L можно определить по формуле

                                                (57)

 

где а — термический коэффициент линейного расширения   материала заготовки.

Пример. На вертикально-сверлильном двухшпиидельном станке, оснащенном поворотным трех позиционным столом (одна позиция загрузочная), производится сверление и последующее развертывание отверстия в чугунной детали. Определить насколько уменьшится диаметр развернутого отверстия после охлаждения детали до температуры окружающей среды 20° С. Скорость вращения шпинделя п = 310 об!мин;  подача s = 0,36 мм!об; мощность на шпинделе N — 1,3 л.с. Объем заготовки V=lOO см3. Диаметр отверстия d—20 мм, его глубина L=40 мм.

Решение.  Количество тепла, возникающего при сверлении,

,

где tо — основное время сверления;

следовательно,

Ранее указывалось, что при обработке отверстий в заготовку уходит около 50% образующегося при резании тепла:


Принимая плотность чугуна  — 7600 кг/м3 и его удельную теплоемкость с=0,11  ккал/кг-град, найдем температуру нагрева заготовки

Не учитывая нагрева заготовки при развертывании, определим погрешность выполняемого размера:

 мм.

Найденная величина сопоставима с допуском 2-го класса точности. Для уменьшения тепловой деформации необходимо принять меры для охлаждения заготовки перед развертыванием отверстия,

Из анализа ряда практических случаев можно заключить, что тепловые деформации массивных заготовок малы и их влиянием на точность обработки можно пренебречь, особенно при незначительных размерах обрабатываемых поверхностей. Тепловые деформации тонкостенных заготовок с относительно большими обрабатываемыми поверхностями могут достичь величин, сопоставимых с допусками 2-го класса точности. Влияние тепловых деформаций на точность растет при обработке внутренних поверхностей, когда поглощение тепла заготовкой увеличивается.

При нестационарном температурном поле заготовки расчеты тепловых деформаций усложняются. Общая методика и примеры этих расчетов приводятся в специальной литературе [4, 5].

Уменьшение тепловых деформаций обрабатываемых деталей может быть достигнуто: обильным подводом охлаждающей жидкости в зону резания; повышение скорости резания, в результате чего большая доля тепла отводится в стружку; чередованием операций с большим и меньшим нагревом детали; устранением накопленного ранее в деталях тепла достаточной по времени выдержкой на транспортирующем устройстве или в таре; шлифованием деталей кругами больших ; диаметров при абразивной обработке.

Влияние ошибок обработки из-за тепловых деформаций может быть уменьшено рациональным распределением этих ошибок по полю допуска детали.

Тепловые деформации режущего инструмента. Несмотря на то что при обработке резанием в инструмент переходит сравнительно небольшая доля образующегося тепла, он

Рис  38

во многих случаях все же подвержен интенсивному нагреву. На рабочей поверхности резцов из быстрорежущей стали наблюдается температура 700—850° С. С отдалением от зоны резания температура стержня заметно снижается.

В начале резания наблюдается быстрое повышение температуры резца. Затем ее рост замедляется, и через непродолжительное время Достигается состояние теплового равновесия. На рис. 38, а дана характерная зависимость теплового удлинения £ консольной части резца от времени резания. ξ|т означает удлинение резца при его тепловом равновесии. При обычных условиях работы удлинение резца может Достигать 30-=-50 мкм. Нагрев, а следовательно, и удлинение резца растут с увеличением подачи, глубины и скорости резания; удлинение резцавозрастает также с повышением предела прочности (твердости по Бринеллю) обрабатываемого материала.

Для приближенного расчета удлинения резца (в мкм) с пластинкой твердого сплава при установившемся тепловом состоянии применима формула

                                                  

                                                (58)

                                                     (59)

Где   С — постоянная   (при   t ^ 1,5 мм;  s ^ 0,2 мм!об;   v — 100 -j--5- 200 м/мин; С = 4,5); Lp — длина рабочей части резца, равная его

вылету, мм F — площадь поперечного сечения резца, мм2; — предел прочности обрабатываемого материала, кГ/мм2; t — глубина резания, мм; s— подача, мм!об; v — скорость резания, м/мин.

Удлинение резца  (в мкм),  соответствующее моменту времени ,

где  е — основание  натуральных  логарифмов.

Во время перерывов в работе, длительность которых равна промежуткам между основными временами (t0) выполняемых операций, резец охлаждается.

На рис. 38, б показан график изменения длины резца при обработке партии заготовок. Если работа протекает ритмично, то перерывы t процесса резания одинаковы по продолжительности и тепловые деформации резца постоянны для всех обрабатываемых заготовок. При отсутствии ритмичности () тепловые деформации резца получаются различными. В этом случае рассеяние размеров заготовок в партии будет большим.

При обработке крупной заготовки тепловые деформации резца могут вызвать погрешность формы обрабатываемой поверхности.

Тепловые деформации влияют на точность размеров при обработке на предварительно настроенных станках по методу автоматического получения размеров, но могут быть учтены рабочим при обработке методом пробных проходов.

Остаточные напряжения в материале заготовок. Остаточные напряжения оказывают наибольшее влияние на точность обработки тонкостенных нежестких заготовок.

Природа и причины возникновения остаточных напряжений. Остаточными (или собственными) называются напряжения, которые существуют в заготовке или готовой детали при отсутствии внешних нагрузок. Остаточные напряжения полностью уравновешиваются, и их действие на деталь с внешней стороны ничем не проявляется. С нарушением этого равновесия, вызываемого удалением части материала в виде припуска, обработкой без снятия стружки, термическим или химическим воздействием, деталь начинает деформироваться до тех пор, пока перегруппировка напряжений не приведет к новому равновесному состоянию.

Различают три рода остаточных напряжений. Напряжения первого рода уравновешиваются в пределах больших объемов материала, соизмеримых с размерами обрабатываемых заготовок. Напряжения второго рода образуются в микроскопических объемах, с размерами одного порядка, с зернами и кристаллитами. Напряжения третьего рода возникают в ультрамикроскопических объемах; они уравновешиваются в пределах нескольких ячеек кристаллической решетки вещества. В технологии машиностроения наибольшее внимание уделяется напряжениям первого рода.

По причине образования остаточные напряжения разбивают на две группы: конструкционные и технологические. Первые вызываются в деталях процессами, происходящими в конструкции; вторые возникают в детали в процессе ее изготовления. Технологические напряжения возникают в результате неоднородных объемных изменений вследствие: неоднородного (неравномерного) нагрева или охлаждения; фазовых или структурных превращений металла, а также происходящих в нем диффузионных процессов; пластической деформации при наклепе. Одновременное действие двух или трех причин приводит к весьма сложным эпюрам распределения остаточных напряжений по сечениям детали. Взаимодействие перечисленных причин нередко приводит к образованию столь 95больших напряжений растяжения в поверхностных слоях детали, что возможно появление трещин.

Для многих деталей желательно создание сжимающих напряжений в поверхностных слоях, благоприятно-влияющих на повышение   их

усталостной прочности. Знание характера распределения, а также качественная и количественная характеристики остаточных напряжений весьма важны для повышения качества деталей и правильного построения технологических процессов их изготовления. В связи с этим в последнее время большое внимание уделяется методам упрочняющей технологии, обеспечивающим повышение прочности и долговечности деталей машин.

Рассмотрим в качестве примера влияние первой из перечисленных причин — изменение объема при охлаждении — на образование остаточных напряжений в стальном диске, нагретом до 703800 С. Сначала остывает наружный слой, который при температуре ниже 500° С, стремясь сократиться в диаметре, сжимает еще горячую и пластичную сердцевину. В результате наружные слои упруго растянуты, а внутренние сжаты. Эпюра напряжений для этого периода показана на рис. 39 сверху. Последующее охлаждение диска связано сначала с возрастанием разности температур между сердцевиной и наружным слоем, а затем с ее уменьшением. При этом напряжения соответственно увеличиваются, а затем уменьшаются по величине. При дальнейшем охлаждении сердцевина стягивает наружный, остывший слой, создавая в нем напряжения сжатия. Эпюра напряжений в остывшем диске показана на рис. 39, снизу

Напряжения в результате структурных превращений наблюдаются в стальных деталях при переходе аустенита в мартенсит.

На величину и распределение напряжений в металле действуют и такие факторы, как конфигурация детали, равномерность нагрева, прокаливаемость, величина зерна, температура отпуска. Влияние этих факторов изучено во многих исследованиях. Результаты этих исследований, однако, не дают достоверных представлений о величине напряжений, и картину образования последних можно скорее оценить с качественной стороны.

Остаточные напряжения при разных технологических методах обработки заготовок. В зависимости от применяемого технологического метода различают остаточные напряжения: литейные, возникающие при остывании отливок; ковочные образующиеся в поковках и горячештампованных заготовках; термические, создающиеся при термической обработке; сварочные; от наклепа, возникающие при холодной прокатке, волочении, холодной штамповке, чеканке, дробеструйной обработке и других методах; возникающие при обработке металлов резанием; создающиеся при электролитических покрытиях деталей.

Литейные напряжения имеют большое влияние па точность обработки заготовок из отливок. Они возникают из-за того, что температура Толстых и тонких частей отливки получается неодинаковой при переходе из области пластических в область упругих деформаций. Для отливок из серого чугуна область этого перехода лежит в интервале температур 620—400° С. Тонкие части отливки охлаждаются быстрее толстых. Поэтому усадка металла в ее массивных элементах происходит позднее. Однако усадка не может протекать свободно, так как ранее остывшие тонкие части отливки вызывают ее торможение. Торможение усадки происходит также со стороны литейной формы, если на отливке имеются выступающие элементы. В первом случае имеем термическое, во втором — механическое торможение усадки.

Чем медленнее происходит охлаждение отливки в указанном интервале температур, и чем меньше разница в толщине ее стенок, тем меньше остаточные напряжения в остывшей заготовке. Особенно большими остаточные напряжения получаются в местах резкого изменения сечения отливок. Их величина может быть иногда настолько значительной, что отливка коробится и в ней возникают трещины. Остаточные напряжения могут быть уменьшены в правильно сконструированных отливках. К уменьшению напряжений ведет также устранение механического торможения усадки путем разрушения формы после перехода металла из жидкого состояния в твердое до его окончательного охлаждения.

если подвергнуть отливку механической обработке, то равновесие остаточных напряжений из-за сжатия поверхностных слоев металла нарушается и заготовка деформируется. Эта деформация происходит не мгновенно, а в течение довольно продолжительного промежутка времени. При передаче предварительно обработанной заготовки на последующую отделку (без разрыва во времени между ними) деформация продолжается и после приемки готовой детали, что ведет к недоразумениям при сборке и последующей эксплуатации машин. Деформации маложестких деталей часто получаются очень значительными.

Снятие или уменьшение остаточных напряжений в отливках достигается естественным старением, термической обработкой (искусственным старением) и некоторыми методами механического воздействия.

Естественное старение заключается в длительном хранении (вылеживании) заготовок на воздухе. Продолжительность вылеживания доводится нередко до 6—12 месяцев и больше. Естественное старение обычно производят после предварительной обработки (обдирки) отливки. Его протеканию способствует периодическое изменение температуры окружающей среды. Основной недостаток этого способа —длительность процесса и неполнота снятия напряжений. На рис. 40 дана типичная кривая уменьшения остаточных напряжений от времени вылеживания при естественном старении. Из графика видно, что через полгода остаточные напряжения уменьшаются только па 30%.

Термическая обработка наиболее целесообразна для снятия остаточных напряжений в мелких и средних отливках. Для крупных отливок этот метод не всегда применим, так как для нагрева отливок необходимы печи больших размеров. Термическая обработка заключается в медленном нагреве заготовок до 500—600'" С, выдержке их при этой температуре в течение 1—6 ч (в зависимости от размера отливок)

и последующем медленном охлаждении в печи до 150—200° С. Скорость нагрева должна быть небольшой (60—150 град/ч), чтобы избежать большого перепада температур между толстыми и тонкими стенками отливки. Скорость охлаждения практически принимается в пределах 25—75 град/ч; ниже 150—250° С охлаждение может вестись ускоренно на открытом воздухе. На рис. 41 показано влияние температуры нагрева на снятие остаточных напряжений в отливках, из которого видно, что при нагреве до 350" С напряжения практически по снимаются.

Для уменьшения остаточных напряжений в отливках механическим воздействием используют пневматические молотки пли дробеструйную обработку. Места концентрации напряжений (переходы в сечениях, пересечения ребер и пр.) подвергают обстукиванию. Этот метод не дает радикальных результатов.

Ковочные напряжения возникают в заготовках, получаемых сво-бодной ковкой и горячей штамповкой. Их основная причина — неравномерное охлаждение заготовок, особенно сильно сказывающееся при нерациональной конструктивной форме последних. Ковочные напряжения имеют большое влияние па деформацию неустойчивых, маложестких заготовок (длинные валики, коленчатые валы и пр.). Для снятия остаточных напряжений в поковках и штампованных заготовках применяют отжиг.

Термические напряжения являются следствием неравномерности нагрева и охлаждения деталей, а также результатом структурных изменений их материала. Термические напряжения вызывают деформацию (коробление) деталей и часто бывают настолько большими, что от их действия возникают трещины. Уменьшение деформации деталей с резкими изменениями сечений производится постепенным нагревом под закалку, защитой тонких стенок изолирующей обмазкой, выполнением закалки и отпуска в приспособлениях, а также смягчением закалочной среды. На величину остаточных напряжений и остаточных деформаций влияет скорость охлаждения при закалке, температура нагрева под закалку, исходная микроструктура материала, а также глубина закалки.

Сплошная закалка дает большую деформацию, чем поверхностная закалка после нагрева т. в. ч. Деформации при термической обработке влияют на точность детали и величину припуска под последующую механическую обработку. Опытным путем для данной детали и данного вида термической обработки может быть выявлена величина уменьшения или увеличения интересующего нас размера. Найденная таким образом поправка может быть использована для предварительного изменения размера и конфигурации детали под термическую обработку. При закалке метчиков часто наблюдается уменьшение шага резьбы. Эта погрешность компенсируется нарезанием резьбы с несколько большим шагом. Необходимая величина поправки находится экспериментально на пробной партии заготовок.

Сварочные напряжения возникают в деталях и узлах в результате неравномерного нагрева и остывания металла в процессе сварки. При перемещении источника тепла вдоль шва имеет место интенсивный нагрев металла в зоне наплавки. Смежные участки металла, обладая более низкой температурой, препятствуют расширению нагретого металла и создают в нем напряжения сжатия. При остывании в наплавленном слое возникают остаточные напряжения растяжения, так как окружающий металл тормозит уменьшение его объема.

Величина этих напряжений иногда достигает предела текучести металла. При сварке заготовок из низкоуглеродистых сталей возникают в основном остаточные напряжения первого рода, при сварке заготовок из закаливающихся сталей — напряжения всех трех родов.

Сварочные напряжения вызывают остаточные деформации в сварной конструкции, величина которых может быть значительно больше допуска па размеры готовой детали. Действие сварочных напряжений важно учитывать при конструировании и изготовлении технологической оснастки, так как от этого зависит точность обработки и сборки. Сварочные напряжения могут быть значительно уменьшены при правильном конструировании детали (узла), рациональным выбором ре-жима сварки, а также последующей термической правкой детали.

Остаточные напряжения в сварных изделиях могут быть сняты в результате их последующего высокотемпературного отпуска (600— 650° С). Однако после этого они не возвращаются к правильной форме, а, напротив, могут получить новые деформации, величина которых часто превышает имевшиеся до отпуска. Сварочные деформации бывают большими в узлах, свариваемых из материалов, обладающих меньшей теплопроводностью и большим коэффициентом температурного расширения. В узлах из нержавеющей стали деформации больше, чем  в узлах из низкоуглеродистых сталей. Деформации при сварке изделий из алюминия меньше, чем при сварке изделий из низкоуглеродистых сталей.

Величина остаточных деформаций зависит от расположения швов, свойств материала, режима сварки, а также от последовательности наложения швов. Рациональным построением технологического процесса сварки эти деформации могут быть сведены к минимуму.

Напряжения от наклепа возникают при холодной обработке металла методом пластической деформации. При прокатке и волочении прутков материал с наружной поверхности деформируется сильнее, чем внутри. Поэтому в заготовках, полученных данными методами, наблюдаются значительные остаточные растягивающие напряжения в поверхностных слоях и сжимающие напряжения внутри. Исследования показывают, что остаточные напряжения в прокате нередко бывают очень большими и доходят до предела текучести. На рис. 42, а дана эпюра распределения этих напряжений в сечении, взятом на достаточно большом расстоянии от концов. Если заготовку из проката разрезать вдоль, то ее концы разойдутся (рис. 42, б). Изгиб концов произойдет в результате нарушения равновесия остаточных напряжений в материале заготовки.

При протачивании недостаточно точно зацентрованной заготовки из проката снимается неравномерный припуск. В результате происходит нарушение равновесия напряжений и обработанная деталь (при отношении длины к диаметру более 30) заметно искривляется. По той же причине прорезка длинных шпоночных канавок в заготовках из проката часто ведет к искривлению деталей. Нежелательное влияние остаточных напряжений на последующую механическую обработку может быть устранено отжигом заготовок, получаемых технологическими методами данной группы.

Остаточные напряжения при холодной правке. Холодную правку применяют для устранения искривленности заготовок и готовых деталей. Правка до обработки уменьшает снимаемые припуски и сокращает время выполнения операции.

Холодной правке подвергают гладкие и ступенчатые валы, шатуны, коленчатые и распределительные валы двигателей, планки, пластины, веретена и многие другие детали общего и специального назначения.

Холодная правка основана па пластическом изгибе. На рис. 43, а дана наиболее распространенная схема правки приложением сосредоточенной силы. В материале заготовки возникают нормальные напряжения. При определенном значении силы эти напряжения в крайних волокнах достигают предела текучести т и заготовка получает остаточную пластическую деформацию, которой устраняется первоначально имевшаяся изогнутость. При снятии нагрузки заготовка частично восстанавливает имевшуюся ранее искривленность. Поэтому прогиб  при правке должен быть несколько больше стрелы изогнутости . На рис. 43, б показана заготовка после того, как поперечная сила Q достигла конечного значения, необходимого для устранения искривленности. Заштрихованными участками показаны области пластических деформаций. Эпюра напряжений дана для сечения под силой. На рис. 43, в показана, заготовка после снятия нагрузки. Действие в упругодеформированной области напряжений, стремящихся восстановить первоначальную изогнутость заготовки, приводит к эпюре напряжений, показанной в среднем сечении выпрямленной заготовки.

Если заготовка подвергается повторной обработке снятием поверхностных слоев металла, то равновесие остаточных напряжений нарушается и заготовка деформируется. На рис. 43, г показана обработанная заготовка; она получила частично прежнюю искривленность. Там же дана эпюра остаточных напряжений; они уменьшились по величине, и их эпюра имеет опять  подобный и уравновешенный вид.

Рис. 42                                                  Рис. 43     

При повторной правке и обработке наблюдается та же картина образования остаточных напряжений; их величина, однако, уменьшается.

Мы рассмотрели процесс холодной правки при условии, что материал исходной заготовки свободен от собственных остаточных напряжений. В действительности заготовки обычно находятся в напряженном состоянии. При правке заготовок картина образования остаточных напряжений усложняется. Так как исходное состояние в отдельных заготовках нам неизвестно, то конечный результат правки представляется в известной степени неопределенным, так как эпюры остаточных напряжений у отдельных заготовок могут быть при этом различными.

При изготовлении ответственных и точных деталей холодную правку не производят. Искривленность заготовок устраняют в этом случае снятием больших припусков. Для изготовления таких деталей часто производят тщательный отбор прутков на прямолинейность.

Если правке подвергают готовые детали, то в их материале также возникают уравновешенные остаточные напряжения. С течением времени наблюдается некоторое искривление выправленных деталей, в результате чего в машине может произойти нарушение зазоров. Причина такого искривления — неравномерная релаксация остаточных напряжений на различных участках эпюры или явления прямого или обратного последействия. Равномерная релаксация напряжений не дает искривления детали.

§ 15. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СУММАРНОЙ ПОГРЕШНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ

ОБРАБОТКИ

Определение суммарной погрешности при обработке на предварительно настроенном станке. Суммарная погрешность механической обработки является следствием влияния ряда рассмотренных ранее технологических факторов, каждый из которых вызывает появление отдельной первичной погрешности. Суммарная погрешность необходима для правильного определения технологического допуска при проектировании технологических процессов. Рассмотрим определение суммарной погрешности обработки достаточно большой партии заготовок на предварительно настроенном станке методом автоматического получения размера. Будем считать, что установка заготовок производится в приспособления, и обработка всей совокупности заготовок ведется за большое количество настроек.

Суммарную погрешность, или поле рассеяния выполняемого раз-мера, можно выразить в общем виде следующей функциональной зависимостью:

Каждая из стоящих в скобках величин не зависит одна от другой и для данного конкретного случая определяется условиями построения технологической операции.

Величина  представляет собой погрешность (поле рассеяния) выполняемого раз м ера в да и н о м  с е ч е н и и, которая возникает в результате упругих отжатий звеньев технологической системы под влиянием нестабильности сил резания. Ранее отмечалось, что

В то же время у равно разности предельных значений упругих отжатий технологической системы.

Определение  и  следует производить по формуле (29). При данных пределах изменения глубины резания (определяемых колебаниями величины снимаемого припуска), твердости обрабатываемого материала и сил резания (в результате прогрессирующего затупления режущего инструмента) значение получается вполне определенным. Величину   находят по тому сечению заготовки, где эта величина получается наибольшей. В обычных условиях таким сечением является то сечение, где жесткость технологической системы достигает минимума. Рассматривая, например, обтачивание консольно закрепленной заготовки, величину   следует определять у ее свободного конца, так как именно здесь жесткость системы наименьшая.

Если величину  как разность предельных значений для данных условий можно считать вполне постоянной, то текущее значение y при обработке каждой индивидуальной заготовки представляет собой величину случайную. Распределение величин у можно считать подчиняющимся нормальному закону.

Аналогичный характер имеет погрешность установки  заготовки , суммирующаяся из погрешности базирования , погрешности закрепления 3 и погрешности положения заготовки ,  вызываемая неточностью приспособления. Для конкретных условий построения данной операции е представляет собой вполне определенную величину, — это расстояние между проекциями предельных положений измерительной базы, от которой ведется отсчет выполняемого размера, на направление этого размера. В то же время для каждой индивидуальной заготовки положение измерительной базы будет случайным. Распределение положений измерительной базы в большинстве случаев подчиняется нормальному закону.

Погрешность настройки станка  является разностью предельных положений режущего инструмента на станке при настройке его на выполняемый размер. Значение  для данного метода обработки регламентируется вполне определенной величиной. Для каждой партии заготовок текущее значение настроечного размера н является величиной случайной, распределение которой также подчиняется нормальному закону или закону, близкому к нему.

Размерный износ инструмента  систематически изменяет положение его режущей кромки относительно исходной установочной базы заготовок в процессе обработки. В результате этого выполняемый размер непрерывно изменяется между двумя сменами или поднастройками инструмента. Величина  регламентируется определенными значениями для каждого метода обработки в зависимости от допустимого износа инструмента. Приближенно можно считать, что размерный износ  протекает по закону прямой, а соответствующая кривая распределения имеет вид прямоугольника (кривая равной вероятности).

Погрешности выполняемого р а з м е р а, в ы з ы в а е м ы е тепловыми д е ф о р м а ц и я м и  системы,  изменяются во времени (или от количества обработанных деталей) по более сложному закону (см. рис. 18, в). В первоначальный период работы станка они растут; после того как будет достигнуто тепловое равновесие технологической системы, они стабилизируются (точка А). До момента теплового равновесия системы кривая распределения погрешностей имеет вид, показанный на рис. 18, в внизу. По достижении этого момента данная погрешность превращается в систематическую постоянную погрешность (кривая распределения переходит в вертикальную прямую линию).

Первые шесть членов выражения (а) представляют собой пределы изменения погрешностей, вызываемых теми или иными технологическими факторами. Последний, седьмой, член  равен сумме погрешностей формы данного элемента,

вызываемых геометрическими неточностями станка, деформациями заготовки под влиянием сил закрепления и неравномерным по различным сечениям заготовки упругим отжатием технологической системы (под действием сил резания). В случае, например, обтачивания консольно закрепленной заготовки (рис. 44)  будет выражаться разностью диаметров d2 и d1 .Часто заштрихованный участок эпюры характеризует погрешность формы обработанной поверхности, а редко заштрихованный — изменения величины  по различным поперечным сечениям заготовки.

Задачу определения суммарной погрешности механической обработки можно сравнить с задачей определения допуска на замыкающее звено размерной цепи. При решении этой задачи по максимуму и минимуму члены выражения (а) алгебраически складываются.

Суммарную погрешность диаметральных размеров следует определять без учета величины . Составляющая  исключается также при определении суммарной погрешности размера, связывающего два противолежащих элемента, подвергаемых одновременной обработке цельным или наборным инструментом (шпоночные пазы, гребни).

Величину следует определять с учетом взаимной компенсации ее отдельных составляющих. Например, обтачивая консольно закрепленный в патроне цилиндрический валик, получаем искажение формы поверхности вращения в результате неравномерной жесткости технологической системы в различных поперечных сечениях. В то же время при наличии непараллельности оси шпинделя направляющим станины в горизонтальной плоскости обточенная поверхность получается конической. Если вершина конуса обращена в сторону задней бабки, погрешности формы частично или полностью компенсируются. При обратном положении конуса погрешности формы суммируются.

Рассмотрим определение применительно к случаю обработки, приведенному на рис. 44, в предположении, что на суммарную погрешность выполняемого размера влияют только два фактора:

и погрешность формы из-за неравномерности упругих отжатий по сечениям заготовки. Величину  можно определить как разность между диаметрами d3 описанного цилиндра и d1 вписанного:

       Величину  следует определять, как указывалось выше, по сечению, для которого жесткость системы будет наименьшей, т. е. в данном случае по сечению 22 y свободного конца заготовки:

     Погрешность формы

где индексы 1 и 2 означают сечения в заделке и у свободного конца.

Расчет суммарной погрешности обработки по формуле (60) весьма прост. Однако значение  получается завышенным. Даже при большом количестве обрабатываемых заготовок предельные размеры, соответствующие величине , встречаются крайне редко. Принятие технологического допуска по этой величине  приводит к увеличению промежуточных и общих припусков на обработку.

Рассмотрим другой закон суммирования первичных погрешностей. По аналогии с решением размерных цепей методом неполной взаимозаменяемости суммирование первых пяти членов выражения (а) можно производить по формуле

                            (61)  


где t — коэффициент, определяющий процент риска получения брака при обработке; при t = 1 процент риска равен 32, при t = 2 он равен 4,5, при t= 3 он равен 0,27;  — коэффициенты, зависящие от формы кривых распределения соответствующих первичных погрешностей.

Для кривой распределения, близкой к нормальной, . Для кривой равной вероятности и в случае, когда о форме кривой распределения ничего неизвестно, рекомендуется принимать. Если кривая распределения близка к треугольнику, то .

Ранее отмечалось, что распределение величин у,  и н близко к нормальному, тогда . Распределение величины и подчиняется закону равной вероятности. Следовательно, . Характер распределения величины Т мало изучен. Поэтому можно принять .

Примем t = 3. Тогда выражение (61) можно переписать в следующем виде:

                                   (62)

С учетом погрешностей формы суммарная погрешность   выполняемого размера

                               (63)

При определении суммарной погрешности диаметральных размеров составляющая  исключается. В этом случае имеем

                                  (64)

 

 При выполнении данной операции на нескольких станках постоянная систематическая величина  переходит в случайную. При определении ее квадрат вводится слагаемым под знак радикала.

Пример. Определить суммарную погрешность механической обработки по формулам (60) и (62), пренебрегая влиянием погрешностей формы ( =0) при у = 10 мкм,  = 25 мкм, H = 30 мкм, u = 15 мкм, Т = 10 мкм.

Решение. По формуле (60)          

 мкм.

 По формуле (62)

 мкм.

Если поле допуска на выполняемый размер принять равным 51 мкм, то для заданных условий выполнения станочной операции и при симметричном расположении поля допуска относительно середины поля рассеяния риск получения брака будет 0,27%.

При поле допуска 90 мкм этот риск будет ничтожно малым. Коэффициент t риска брака в этом случае вместо 3 равен 5,3. Риск брака равен 0,00000001. Другими словами, в партии из 10 млн. деталей одна деталь может пойти в брак. При ноле допуска 51 мкм одна бракованная деталь приходится на партию из 370 деталей.

Если партия деталей сравнительно невелика и ее обработку можно выполнить без смены инструмента, то член н из приведенных формул можно исключить. В этом случае суммарная погрешность как разность предельных размеров обработанных деталей уменьшается. Однако поле величины н сместится в ту или иную сторону в результате погрешности установки инструмента на размер. Величина этого смещения не окажет влияния на поле рассеяния размеров деталей данной партии.

Метод автоматического получения размеров нередко целесообразно применять при очень малых партиях деталей. В данном случае фактическая суммарная погрешность может оказаться меньше рассчитанной по приведенным формулам. Это обусловлено тем, что размерный износ инструмента определяется не заранее регламентированной величиной u, а действительной (меньшей), получаемой в данных конкретных условиях, Кроме того, при малых партиях разность предельных значений припусков и твердости материала заготовок, по которой определяется величина y, также уменьшается.

Суммарную погрешность диаметра отверстия, обрабатываемого сверлением, зенкерованием и развертыванием, определяют по формуле

                                          (65)

где — разбивка отверстия при наибольшем предельном размере инструмента dmax (рис. 45);  — допуск на диаметр инструмента; u —размерный износ, допустимый при наименьшем предельном диаметре инструмента; amin — разбивка отверстия при допустимом наименьшем диаметре инструмента с учетом его размерного износа.

Определение суммарной погрешности при обработке методов пробных проходов. Рассмотрим суммарную погрешность индивидуально обрабатываемой заготовки методом пробных проходов. В этом случае погрешность выполняемого размера

                                        (66)

где y — погрешность формы обрабатываемой поверхности, получаемая в результате копирования первичных погрешностей заготовки в условиях упругой технологической системы, жесткость которой различна в отдельных сечениях;  — погрешность установки режущего инструмента на размер (погрешность проверки), зависящая от квалификации

рабочего и вида применяемого измерительного инструмента;   — погрешность формы обработанной поверхности или погрешность ее положения относительно измерительной базы в результате деформации технологической системы от приложения зажимных сил;  u —погрешность формы поверхности в результате размерного износа режущего инструмента;  Т— погрешности формы, вызываемые тепловыми деформациями технологической системы в процессе обработки одной детали; ст — погрешность формы обрабатываемой поверхности, возникающая из-за геометрических неточностей станка.

В данном случае суммирование первичных погрешностей ведем алгебраически, учитывая возможность их частичного или полного перекрытия и взаимной компенсации.

Величина  удваивается в связи с тем, что мы ее относим к диаметральному размеру.

При обработке цилиндрической поверхности достаточно жесткой заготовки суммарная погрешность диаметрального размера

                                              (67)


ГЛАВА IV

КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ МАШИН И ЗАГОТОВОК

§ 16. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Под качеством поверхности понимают состояние поверхностного слоя как результат воздействия на него одного или последовательного комплекса технологических методов. Оно характеризуется шероховатостью, волнистостью, а также физико-механическими свойствами поверхностного слоя.

Шероховатостью (м и к р о г е о м е т р и е й) поверхности называется совокупность неровностей с относительно малыми шагами, образующих рельеф поверхности детали и рассматриваемых на определенной длине.  Под вол н и с т о с т ь ю поверхности понимают совокупность периодически чередующихся неровностей с относительно большим шагом, превышающим принимаемую при измерении шероховатости базовую длину. Волнистость занимает промежуточное положение между шероховатостью и погрешностями формы (макрогеометрией) поверхности. Критерием для разграничения шероховатости и волнистости служит величина отношения шага к высоте неровностей. Для шероховатости (рис. 46, а) l/H < 50; для волнистости L/HB50  1000; для макрогеометрии L/HB > 1000.

При оценке шероховатости во внимание принимается не только высота и форма микронеровностей, но также характер расположения штрихов от режущего инструмента на обработанной поверхности детали. Форма микронеровностей влияет на несущую поверхность, предопределяющую износ и контактную деформацию сопряженных деталей. При. островершинных неровностях (рис. 46, б) несущая поверхность мала; при плосковершинных она возрастает (рис. 46, в). В то же время наличие глубоких впадин (микротрещин) нарушает сплошность поверхностного слоя, снижая усталостную прочность детали. Направление штрихов от предшествующей обработки следует оценивать с учетом совместного контакта сопряженных деталей (при неподвижных соединениях) и направления движения деталей в подвижных соединениях. Различают шероховатость поперечную, измеренную в направлении движения подачи, и продольную, измеренную в направлении главного движения резания.

Шероховатость и волнистость поверхности взаимосвязаны с точностью размеров. Высокой точности всегда отвечают малые шероховатость и волнистость поверхности. Это определяется условиями работы сопряженных деталей и необходимостью получения надежных результатов измерения.Физико-механические свойства поверхностного слоя характеризуются его твердостью, структурными и фазовыми превращениями, величиной, знаком и глубиной распространения остаточных напряжений, деформацией кристаллической решетки материала. При применении химико-термических методов обработки происходят также изменения химического состава материала поверхностного слоя.

У готовой детали качество обработанных поверхностей в основном формируется при окончательной обработке; предшествующая обработка, а также заготовительные процессы оказывают определенное влияние на качество поверхности готовой детали в силу так называемого технологического наследования исходных свойств заготовки на различных этапах ее обработки. Необработанные поверхности сохраняют характеристики качества, возникшие в процессе получения заготовки.

Достижение необходимого качества поверхностей деталей машин и поддержание его на заданном уровне в производственных условиях является задачей построения всего технологического процесса.

В процессе эксплуатации машин качество поверхностей их деталей изменяется. По ряду показателей (износ, образование и развитие микротрещин, задиры, коррозионное и эрозионное разрушения, питтинг и др.) качество поверхности ухудшается. Поэтому важно обеспечить (конструктивно и технологически) не только требуемое качество поверхностей деталей машин в процессе их производства, но и сохранение постоянства заданного качества поверхности на длительный срок эксплуатации машин.

По ГОСТ 2789—73 установлено 14 классов шероховатости поверхности: 1-му классу соответствует самая шероховатая, а 14-му — самая гладкая поверхность. Для количественной оценки шероховатости на базовой длине l предусмотрено шесть параметров (рис. 47).

Среднее арифметическое отклонение профиля Ra — определяется из абсолютных значений отклонений профиля  h от средней линии:

приближенно


Высота неровностей профиля по десяти точкам Rz — это среднее расстояние между пятью высшими HВЫСТ  и пятью низшими  НВП  точками профиля

Наибольшая высота неровностей   Rmax.

Средний шаг неровностей Sm и средний шаг неровностей по вершинам S:

   .

Относительная опорная длина  профиля   tP — отношение   опорной

длины профиля  к базовой длине l: tP = (/l ) 100%, где =.

ГОСТом    регламентируются   параметры:   Ra = 1000,008   мкм.

Rz,  Rmах = 16000.25  мкм,  Sи S=12.50.002 мкм, =1090% , l=0.0125 мм, а также направление неровностей. Требования к шероховатости устанавливаются по одному или нескольким параметрам. Для 6—12-го классов основной является шкала Rа , a для 1—5, 13 и 14-го классов — шкала Rz.  6—14-й классы делятся на разряды, которые обозначаются буквами а, б, в.

Стандарта на качество поверхности в целом еще нет.

§ 17. ВЛИЯНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Обеспечение заданного качества машин и длительное сохранение его первоначального уровня во многом зависит от качества поверхностей их деталей. Основная причина (80%) выхода из строя машин это износ рабочих поверхностей сопряженных деталей. Значительно реже наблюдаются поломки деталей из-за некачественного изготовления или их конструктивного несовершенства. Уменьшение износа повышлет долговечность машин, сохраняет заданную конструктором их точность и сокращает расходы на ремонт, которые нередко за весь срок эксплуатации машин в несколько раз превышают их стоимость. Износ трущихся поверхностей протекает во времени по кривой / (рис. 48, а). Участок / характеризует первичный износ (приработку) сопряженной пары; участок // — это нормальный эксплуатационный износ, который при правильном режиме работы и надежной смазке протекает длительное время; участок /// — аварийный износ пары. В процессе приработки микронеровности трущихся поверхностей вызывают местный разрыв масляной пленки и наиболее выступающие

неровности разрушаются путем среза, отламывания или пластического сдвига. В результате этого несущая поверхность увеличивается и зазор в сопряженной паре возрастает. По мере уменьшения давления в местах контакта неровностей интенсивность первичного износа снижается. На рис. 48, а кривая 2 характеризует износ поверхностей с меньшими шероховатостями. В этом случае величина и время первичного износа уменьшаются, а интенсивность эксплуатационного износа остается той же, как и на кривой 1. Из рисунка видно, что продолжительность работы трущихся пар до границы допустимого износа А будет различной. При меньшей шероховатости сопряженных поверхностей время работы сопряжения будет большим (Т2 > Т1 ).

Влияние шероховатости поверхностей сопряженных деталей на износ в основном проявляется в процессе их приработки. В период нормального эксплуатационного износа его влияние определяется физико-механическими свойствами поверхностного слоя и режимами Работы трущейся пары (скорость скольжения, нагрузка, характер смазки). Особенно большие износы происходят при частых пусках машин, когда нарушается режим смазки сопрягаемых поверхностей. Нередко это связано с их задирами и схватыванием.

Для повышения износостойкости трущихся деталей за счет уменьшения первичного износа целесообразно создавать поверхности скольжения, шероховатость которых соответствует шероховатости поверхностей приработанных деталей.

На первичный износ сопряженных деталей влияет форма и высота микронеровностей, направление рисок (штрихов) обработки относительно направления скольжения поверхностей, волнистость и макрогеометрические отклонения поверхностей трения. Влияние этих факторов по-разному проявляется при сухом, граничном и жидкостном трении. Островершинные микронеровности изнашиваются быстрее плосковершинных. Влияние высоты микронеровностей на износ показано на рис. 48, б. Кривая 1 соответствует более легким, а кривая 2 более тяжелым условиям работы. Из рисунка видно, что уменьшение шероховатости целесообразно производить до определенного предела. На очень чистых поверхностях смазка удерживается плохо; в результате возможно увеличение износа и схватывание сопряженных деталей из-за возникновения сухого трения. В этом смысле пришабренные поверхности лучше притертых, так как в них имеются своеобразные углубления («карманы»), удерживающие смазку. Хорошее удержание смазки обеспечивается слоем пористого хрома, пористой структурой металл о керамических деталей, а также системой мелких маслоудерживающих каналов, получаемых вибронакатыванием.

Наименее выгодное направление штрихов обработки у обеих трущихся деталей перпендикулярно к направлению скольжения (кривая ) на рис. 48, в). При совмещении направления штрихов обработки с направлением скольжения износ уменьшается (кривая 2). Промежуточный случай имеет место, когда направление скольжения совпадает с направлением штрихов одной детали и перпендикулярно к направлению другой (кривая 3 на рис. 48, в). В ответственных сопряжениях направление штрихов обработки может быть оговорено в технических условиях. Влияние направления штрихов обработки на износ более заметно при сухом и граничном трении (кривые А на рис. 48, б); при жидкостном трении это влияние заметно при большой высоте микронеровностей, так как слой смазки разделяет сопрягаемые детали (кривые Б).

Большое влияние на износ и сокращение продолжительности работы трущейся пары оказывают волнистость и макрогеометрические погрешности сопряженных поверхностей. Эти дефекты уменьшают поверхности контакта и увеличивают удельные нагрузки против расчетных, что обусловливает повышенный износ поверхностей сопряжения. Уменьшая волнистость и макрогеометрические погрешности, можно увеличить срок службы соединения в 1,5—2 раза.

Наклеп, возникающий в результате механической обработки, уменьшает износ поверхностей в 1,5—2 раза и более. На рис. 48, г показано влияние микротвердости поверхностного слоя на его износ.

При высокой микротвердости (перенаклеп) износ возрастает в результате возникновения шелушения частиц металла. Значительное уменьшение износа достигается облагораживанием поверхностного слоя деталей термической и химико-термической обработкой (поверхностная закалка, цементация, цианирование, азотирование, диффузионное хромирование, борирование, сульфидирование и др.), наплавкой твердых сплавов, а также гальваническим нанесением твердых покрытий (хромирование). Износостойкость чугунных деталей повышают созданием на поверхностях трения отбеленной корки.

На уменьшение износа влияет твердость, структура и химический состав поверхностного слоя. Наличие в нем остаточных напряжений на износ от трения скольжения сказывается слабо. Однако износ может изменять остаточные напряжения в поверхностном слое детали. Наличие остаточных сжимающих напряжений в поверхностном слое повышает долговечность деталей, работающих по принципу качения. Это обусловлено тем, что позади катящегося ролика в материале сопряженной детали (шейка вала, кольцо подшипника) возникают напряжения растяжения. Исследования проф. П. И. Ящерицына показывают, что направление волокон материала детали влияет на ее усталостную контактную прочность. Лучше всего, когда направление волокон параллельно (концентрично) поверхности детали. С увеличением угла выхода волокон к поверхности усталостная контактная прочность снижается.

Шероховатость поверхности влияет на прочность деталей, работающих в условиях циклической и знакопеременной нагрузки. Впадины микропрофиля являются своеобразными надрезами на поверхности и в значительной степени влияют на концентрацию напряжений и образование усталостных трещин. Коэффициент концентрации напряжений для поверхностей, обработанных резанием, находится в пределах 1,5  2,5. Особенно вредно сказывается наличие рисок от режущего инструмента на поверхностях в местах резкого перехода в сечениях, на галтелях валов осей и других деталей. Эти дефекты часто являлись причиной поломки многих ответственных деталей. Для полного устранения вредного влияния следов предварительной обработки нередко приходится назначать дополнительную отделочную обработку поверхностей ответственных деталей (шатуны и коленчатые валы, диски и роторы турбин). Влияние шероховатости поверхности на прочность при ударной нагрузке заметна у заготовок из твердых сталей. Наличие наклепа и остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое повышает усталостную прочность деталей (пружины, рессоры, торсионные валы) часто в несколько раз. Остаточные напряжения растяжения снижают ее. Обезуглероженный поверхностный слой снижает усталостную прочность деталей, заготовки которых были получены ковкой и штамповкой. При обработке ответственных деталей этот слой надлежит удалять полностью, оставляя на поверхности только основной металл.

От качества поверхности зависит контактная жесткость стыков сопрягаемых деталей. Шероховатость и волнистость поверхностей уменьшает фактическую площадь контакта, который происходит по отдельным участкам. Несущая поверхность детали зависит от шероховатости и метода обработки. Так, при высоте микронеровностей от 2,5 до 8 мкм после развертывания и шлифования она составляет 10%;  при высоте микронеровностей от 0,8 до 2,5 мкм для тех же методов обработки она повышается до 40% . При алмазном точении и обычной притирке она достигает 63%, а в результате тонкого шлифования, алмазного выглаживания, тонкой притирки и суперфиниша — 8090%. Получаемая контактная деформация под рабочей нагрузкой зависит также от твердости и других физических свойств поверхностного слоя. Для повышения контактной жесткости целесообразно уменьшать шероховатость и волнистость сопрягаемых поверхностей, применяя шабрение, шлифование, притирку и другие методы отделочной обработки, обеспечивать совпадение направления рисок обработки, а также повышать твердость поверхностного слоя созданием в нем наклепа или другими методами. Контактную жесткость стыков можно также повысить, производя сильную предварительную затяжку крепежных деталей. При этом происходит смятие соприкасающихся неровностей и поверхность контакта увеличивается.

Прочность сопряжений с натягом во многом зависит от шероховатости поверхностей. При запрессовке происходит смятие микронеровностей и фактический натяг уменьшается против расчетного. Большее снижение прочности происходит при более шероховатых поверхностях. Большая прочность прессовых соединений обеспечивается при шлифовании и развертывании сопряженных поверхностей, чем при их обтачивании и растачивании. При посадке с натягом, осуществляемой с тепловым воздействием, смятие микронеровностей не происходит. Прочность таких посадок выше, чем при обычной запрессовке с той же величиной натяга.

Коррозия в атмосферных условиях возникает легче и распространяется быстрее на грубообработанных поверхностях. Наличие наклепа ускоряет коррозию в 1,52 раза. Это обусловлено тем, что при пластической деформации поликристаллического материала в нем возникают микроскопические неоднородности, способствующие образованию часто расположенных очагов коррозии. Наиболее интенсивно коррозия распространяется в зонах плоскостей сдвигов и местах выхода дислокаций на поверхность. В агрессивных средах и при высоких температурах влияние шероховатости и наклепа на антикоррозионную стойкость сказывается слабо. Сопротивление коррозии и эрозии при высоких температурах достигается облагораживанием поверхностных слоев деталей путем алитирования, плазменного напыления и другими методами.

Шероховатость поверхности оказывает влияние на условия смазки, трение, теплопроводность и герметичность стыков, отражательную и поглощающую способность поверхностей, сопротивление протеканию газов и жидкостей в трубопроводах, сопротивление кавитационному разрушению в гидравлических машинах и другие характеристики поверхностей и сопряжений.

Усталостная прочность деталей машин в большинстве случаев определяется величиной, знаком и глубиной распространения остаточных напряжений в поверхностном слоем; в меньшей степени она зависит от шероховатости поверхности (исключая случаи влияния острых и глубоких царапин и рисок в местах концентрации напряжений). Если работа протекает при высокой температуре (700 800° С и выше), то в результате неравномерной релаксации полезных напряжений сжатия могут возникнуть вредные растягивающие напряжения. В таких случаях целесообразно применять такие методы обработки, при которых в поверхностном слое отсутствовали бы как растягивающие, так и сжимающие напряжения. В частности это обеспечивается электрохимической обработкой, нашедшей большое применение при изготовлении турбинных лопаток.

§ 18. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТИ

Шероховатость поверхностей заготовок возникает от воздействия ряда факторов в процессе их получения. Заготовки из проката имеют следы шероховатостей прокатных валков. Высота поверхностных неровностей горячекатаного проката не превышает 150 мкм, а холоднотянутого 50 мкм. Заготовки, полученные свободной ковкой, в зависимости от размера имеют неровности поверхности 1,5  4 мм. У