Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор. Анализ проблемы. Цели и задачи работы 8
1.1. Связь эксплуатационных свойств поверхностей деталей, соединений, машин с погрешностями изготовления 8
1.2. Принцип инверсии 8
1.3. Классификация исполнительных поверхностей . 10
1.4. Периодические составляющие погрешности обработки 10
1.5. Периодическая составляющая погрешности обработки - волнистость 15
1.6. Оценка влияния волнистости на эксплуатационные свойства деталей машин 22
1.7. Анализ причин образования периодических погрешностей при механической обработке 27
1.8. Методы обеспечения и (или) уменьшения НПО - волнистости 38
1.9. Оценка влияния погрешностей расположения поверхностей детали
на эксплуатационные свойства деталей машин 39
1.10. Методологические предпосылки и структурный анализ диссертации 48
1.11. Выводы и постановка задач диссертации 57
2. Технологическое обеспечение точности расположения поверхностей (постоянной составляющей ППО) 59
2.1. Систематизация факторов обеспечения требуемого положения заготовки и инструмента 59
2.2. Анализ связей заготовки и инструмента с технологической системой 62
2.3. Разработка методики расчета погрешности установки, обусловленной несовершенством технологической базы 66
2.4. Разработка методов повышения точности установки заготовок компенсацией несовершенства технологической базы 92
2.5. Разработка методов обеспечения точности при базировании заготовки по скрытым базам 95
Выводы и результаты по п.2 133
3. Исследование закономерностей образования периодической погрешности обработки (на примере волнистости) 135
3.1. Характер периодических погрешностей обработки в зависимости от времени появления 135
3.2. Исследование механики образования траектории относительного движения заготовки и инструмента 135
3.3. Перенос траектории движения заготовки и инструмента на обрабатываемую поверхность 161
3.4. Уравнение волнистой поверхности в общем виде 161
3.5. Исследование механизма образования волн. Явление перерезания волн 163
3.6. Исследование волнистости при многопроходных, многооборотных схемах обработки 170
3.7. Исследование влияния параметров технологической системы ЗИПС 172
3.8. Влияние режимов обработки и характеристики режущего инструмента 178
3.9. Роль технологической наследственности в волнообразовании 184
3.10. Явления, сопутствующие процесс волнообразования 194
3.11. Системный подход к анализу механизма волнообразования 206
Выводы и результаты по п.З 210
Разработка моделей совершенствования процесса формообразования поверхностей (пути уменьшения периодической слагаемой ППО) 212
4.1. Выбор способа механической обработки 212
4.2. Комментарии к реализации алгоритма выбора технологического процесса и обеспечения заданной волнистости 212
4.3. Прогнозирование ожидаемой волнистости 218
4.4. Поиск путей уменьшения высоты волнистости 219
4.5. Метод управления траекторией относительного движения заготовки и инструмента 222
4.6. Деформирование траектории относительного движения заготовки и инструмента 227
4.7. Удаление ППО в виде заусенцев 292
4.8. Разработка методов контроля ППО 294
4.9. Сборка с учетом отклонений размеров и форм поверхностей 307
Выводы и результаты по п.4 311
Общие выводы и результаты работы 314
Библиографический список 317
- Анализ причин образования периодических погрешностей при механической обработке
- Разработка методики расчета погрешности установки, обусловленной несовершенством технологической базы
- Исследование механики образования траектории относительного движения заготовки и инструмента
- Метод управления траекторией относительного движения заготовки и инструмента
Введение к работе
В диссертации рассматриваются вопросы, связанные с решением проблемы технологического обеспечения точности и качества поверхностного слоя деталей машин путем управления периодическими погрешностями обработки (волнистостью, огранкой, овальностью).
Актуальность темы. На поверхности заготовки при механической обработке, в частности, при абразивной обработке шлифованием образуются периодические погрешности обработки (ППО) в виде волнистости, шаг которой превышает базовую длину шероховатости. Волнистость при увеличении шага может плавно переходить в огранку и овальность, между которыми часто нет физической разницы. Волнистость относят к параметрам качества поверхностного слоя, огранку, овальность - к параметрам точности формы. Положение поверхности относительно детали и ее конструкторских баз характеризуется погрешностью расположения. Погрешность расположения входит также в постоянную слагаемую ППО.
Все названные погрешности обработки отрицательно влияют на эксплуатационные свойства деталей машин и соединений (износостойкость, малошум-ность, точность движений, плавность хода и др.), что приводит к уменьшению надежности машин, к снижению конкурентоспособности выпускаемой продукции.
Анализ научно-технической информации показал, что природа, механизм образования ППО изучены недостаточно, не сформирован общий подход к разработке технологических операций и процессов, обеспечивающих допустимый уровень ППО.
В связи со сказанным, безусловно, актуальными являются исследования и разработки, направленные на решение задач технологического обеспечения точности и качества поверхностного слоя с помощью уменьшения ППО.
Цель работы. Обеспечение и дальнейшее повышение точности, качества поверхностного слоя деталей машин.
Объект исследования. Технологическая система: заготовка - инструмент — приспособление - станок (ЗИПС), в частности, шлифовальных операций; технологические методы, с помощью которых возможно управлять ППО - волнистостью, огранкой и овальностью деталей клапанов ДВС, подшипников качения, металлорежущих станков, взлетно-посадочных устройств самолетов.
Методы исследования. Методологической основой работы является системный подход к изучению и описанию процессов, происходящих при взаимодействии поверхностей в процессе обработки деталей, контроле и сборке соединений, при их функционировании; теория базирования, теоретические основы технологического обеспечения эксплуатационных свойств деталей машин и соединений; теория контактного взаимодействия поверхностей деталей; теория упругости; теория колебаний; использование аппарата дифференциального и интегрального исчисления, геометрического, кинематического и динамического моделирования.
Экспериментальные исследования выполнены на образцах, натурных деталях и соединениях, реальных технологических системах, как в лабораторных, так и в производственных условиях. Использована современная измерительная техника и приборы, виброизмерительная аппаратура; испытательные стенды, методы корреляционного и регрессионного анализа; вычислительная техника. Научная новизна:
- Установлена возможность технологического обеспечения точности и качества поверхностного слоя деталей машин путем управления ГШО — волнистостью, огранкой, овальностью.
- Разработаны теоретические положения, позволившие реализовать подход к моделированию процесса формообразования волн на поверхности обрабатываемых деталей (и его совершенствования) соединений с повышенными требованиями к эксплуатационным свойствам (износостойкость, малошумность, высокая точность и плавность хода, низкая виброактивность и др.), учитывающий анизотропность технологической системы ЗИПС, позволяющий научно обосновано подойти к выбору методов технологического обеспечения требуемых точности и качества поверхностного слоя по параметрам волнистости, огранки и овальности.
- Разработано системное описание процессов установки и позиционирования заготовки с выявлением контактных связей, ставших основой разработки физико-математической модели технологической операции и разработки методологии выбора способов установки заготовки по скрытым базам и позиционирования при обработке координированных поверхностей, позволившие обеспечить допустимую точность расположения поверхностей.
- Обнаружено и исследовано явление перерезания волн, научно обоснованы условия его возникновения, на основе чего выработаны рекомендации технологического обеспечения допустимого уровня ППО.
- Разработана методология управления траекторией относительного движения (ТОД) заготовки и инструмента путем ее сдвига и деформирования.
- Разработаны базовые положения теории формообразования волнистой поверхности при шлифовании и центробежной обработке абразивными брусками.
Автор защищает следующие основные положения:
- решение научной проблемы повышения точности и качества поверхностного слоя деталей машин на основе технологического обеспечения допустимых ППО волнистости, огранки, овальности;
- модели процесса формообразования волнистых поверхностей при обработке шлифованием и абразивными брусками;
- установленные закономерности явления перерезания волн, позволяющие найти области и условия обеспечения и уменьшения ППО;
- методологический подход к управлению ТОД заготовки и инструмента путем ее сдвига и деформирования;
- методологию поиска способов базирования заготовки по скрытым базам и позиционирования ее, обеспечивающих требуемую точность взаимного расположения обрабатываемых поверхностей;
- способы и устройства управления процессами обработки, сами процессы обработки, установки, позиционирования и контроля поверхностей заготовки, обеспечивающие допустимый уровень ППО (овальности, огранки и волнисто сти).
Практическая ценность работы:
- разработаны методика и способы установки заготовок по скрытым базам и их позиционирования, обеспечивающие повышение точности, а также-произ- водительности;
- предложена методика проектирования технологической оснастки, в том числе, универсально-сборных приспособлений;
- на основе обнаруженного и исследованного явления перерезания волн разработаны способы и устройства шлифования с уменьшением скорости заготовки на этапе выхаживания; способы обработки брусками; устройства - балансировки ШК на ходу; управления колебаниями;
- разработана серия способов управления круглого шлифования бесконтактной передачей крутящего момента заготовке и бесконтактной установкой ее в электромагнитных опорах;
- разработаны измерительные средства для контроля нескольких геометрических параметров, огранки и волнистости одновременно нескольких поверхностей; для автоматизированного контроля точности формы тороидальных поверхностей; для контроля шаров; для контроля отклонений от прямолинейности и плоскостности.
Реализация полученных результатов.
Результаты исследований нашли использование на ряде промышленных предприятий сельскохозяйственного, авиационного, оборонного машиностроения, а также станкостроения, автомобилестроения и др. отраслей при выполнении по их заказу 13 хоздоговорных НИР, 3-х НИР о соцсодружестве, 4-х госбюджетных НИР, 1 гранта СамГТУ.
Перечисленные методики, способы, устройства, полуавтоматы, автоматы в виде 24 новых технических решений использовали на предприятиях России и странах СНС: ПО «Пяргале» г. Каунас, Литва; з-д «Укрэлектроаппарат» г.Хмельницкий, Украина: ПО «Красный Октябрь» г. Витебск и з-д технологической оснастки, г Гомель, Белоруссия, з-д энергомашиностроения г.Бишкек, Киргизия, Металлургический завод г. Павлодар, Казахстан, ПО Автомобильный завод им.Ленинского Комсомола и ПО Автомобильный завод им.Лихачева г. Москва, ПО Тракторный завод г. Волгоград; ряд предприятий авиационной и оборонной промышленности в г. Москве, Новосибирске, Севастополе (Украина) и др.
Применение предложенных подходов и прикладных результатов создает высокий экономический эффект. Его составляющие - экономия вследствие снижения брака, например, за счет исключения повторной обработки клапанов ДВС на заводе 4 ГПЗ.
Другие источники - экономия за счет уменьшения контрольных операций, за счет улучшения эксплуатационных характеристик изделий, повышения уровня классности деталей, использования оптимальных наладок при бесцентровом шлифовании клапанов ДВС на заводе КРС, от использования способа повышения точности расположения поверхностей деталей (использование РТМ в практике конструирования приспособлений с самоцентрирующим устройством, многопозиционной технологической оснастки) на Самарском предприятии - ОАО «Авиаагрегат»; от использования новых способов обработки брусками и притирами (изготовлены 2 новых п/автомата), от автоматизации контроля точностных параметров колец (использованы 12 новых автоматов) с обеспечением требований международного стандарта и использования новой технологии обработки границ поверхностей массивных сепараторов с исключением повреждений рабочих поверхностей (10 новых п/автоматов) на Самарских предприятиях: СПЗ -4 и заводе авиационных подшипников.
Результаты работы использованы в читаемом в СамГТУ курсе лекций «Технология машиностроения», лабораторных работах, курсовом и дипломном проектировании, учебно-исследовательской работе.
Апробация работы.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научно-технической конференции «Повышение качества, надежности и долговечности выпускаемых машин и механизмов» (г. Пермь, 1970, 1977гг); республиканской конференции «Методы чистовой обработки деталей машин» (г. Одесса, 1975г.); республиканской конференции «Прогрессивные технологические процессы обработки деталей приборов» (г. Севастополь, 1975г.); научно-техническом совещании «Контактная жесткость в машиностроении» (г. Куйбышев, 1977г.); Всесоюзном семинаре «Технологические методы повышения качества машин» (г.Фрунзе, 1978г.); Всесоюзных научно-технических конференциях «Динамика станков» (г.Куйбышев, 1980, 1984гг.); Всесоюзной научно-технической конференции «Повышение долговечности и надежности машин и приборов» (г.Куйбышев, 1981 г.); конференции «Разработка, исследование и внедрение прогрессивных технологических процессов механосборочного производства (г.Севастополь, 1982г.); Всесоюзной научно-технической конференции «Интенсификация технологических процессов механической обработки» (г.Ленинград, 1986г.); областной научно-технической конференции, посвященной 60-летию института (г.Куйбышев, 1990г.); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы надежности технологических, энергетических и транспортных машин» (г.Самара, 2003); на заседаниях кафедры «Технология машиностроения» СамГТУ (г.Самара, 1978, 1985, 1990, 1994, 2003 гг.). Диссертация выиграла конкурс персональных грантов научных исследований Самарского гос. тех. ун-та в 1999г. Технические решения, разработанные в диссертации в виде образцов, демонстрировались на выставке ВДНХ (г.Москва, 1990г. -бронзовая медаль), на выставке Поволжья (г.Тольятти, 1991г.).
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 140 печатных работах, в том числе в 2-х монографиях, 1-м учебно-методическом пособии, описаниях 90 патентов и авторских свидетельств.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и предложения. Работа содержит 340 страниц машинописного текста, включая 132 рисунка и 25 таблиц. Список использованной литературы содержит 380 наименований.
Анализ причин образования периодических погрешностей при механической обработке
Большинство исследователей главной причиной образования волнистости называют наличие колебаний отдельных элементов упругой технологической системы [9, 17, 21, 67, 81, 97, 104, 291, 302, 303, 306, 324, 342, 348, 362, 363, 365].
На втором научном этапе [306] формируются теории точности и качества поверхности. В это период Дьяченко П. Е. - один из первых исследователей волнистости, показал, что при шлифовании волнистость может появиться при трех обстоятельствах: засаливании шлифовального круга; вращении шлифуемой цилиндрической заготовки в обратную сторону, т. е. противоположную обычной; дисбалансе в шлифовальном круге [55].
Исаев А.И. отмечал, что вибрации во время обработки возникают при толчках, вызываемых некачественной сшивкой ремней, биениями зубчатых колес, при неудовлетворительной балансировке шлифовального круга, а также при плохой его правке.
Якобсон И.О. подчеркивал, что волнистость поверхности - следствие вибрационных смещений узлов станка и зависит от его виброустойчивости, дисбаланса круга, неравномерности подачи, неправильной правки или засаливания круга и других факторов.
Лурье Г. Б. [116] связывал причины появления волнистости с неуравновешенностью круга, шпиндельного узла или ротора электродвигателя; применением слишком твердого мелкозернистого круга; неплотной посадкой фланца для крепления круга на шпинделе и др. факторами.
Муцянко В. И. считал, что на образование волнистости при бесцентровом шлифовании влияют: большая глубина шлифования или минутная поперечная подача заготовки; большая скорость заготовки; неправильная установка центра вращения заготовки относительно центров круга; большой угол скоса опорной поверхности ножа; дисбаланс шлифующего круга; большая твердость или малая зернистость шлифующего круга; неравномерный износ круга. На третьем научном этапе [306] рассмотрено влияние различных технологических факторов на высоту волнистости: скорости перемещения заготовки [9, 151, 279, 324, 332], скорости главного движения [81, 347], глубины резания [116], времени обработки и выхаживания [81, 116], характеристики инструмента, режима правка, заточки, циклов обработки [199], наладки [273], уточнены законы распределения ППО [314].
Корсаков B.C. [97] и ряд других исследователей [199] показали на принципиально иной источник появления периодической составляющей погрешности формы с относительно небольшим числом волн. Это упругие деформации в объеме всей заготовка при низкой ее жесткости, обусловленные действием сил закрепления.
Волнистость значительно меньшего шага образуется вследствие прерывистости резания при применении многолезвийного инструмента, например, фрез [66, 67] или прерывистых шлифовальных кругов [41].
При разработке теории волнообразования на поверхности заготовки заимствуют подходы из теории колебаний, как в траектории движения заготовки, так и в следе движения инструмента на ее поверхности.
В конце второго научного этапа, (в 60-70-е годы) началось и продолжено на третьем этапе интенсивное изучение причин, механизма образования периодических погрешностей обработки (шероховатости, волнистости, огранки, овальности, а также физико-механических свойств), создания математических моделей, описывающих поверхности с такими погрешностями. С открытием явления перерезания волн [158, 162], состоящего в двукратном прохождении инструмента в районе вершин волн при определенных условиях и доказавшего и объясняющего причину того, что высота волнистости может быть намного меньше размаха колебаний, почти исчезли работы, в которых за меру размаха автоколебаний принималась высота высокочастотной волнистости.
В работе [199] была высказана мысль, что для разных диапазонов частот образования волнистости не может быть универсального средства ее уменьшения. Эта идея нашла развитие в работе Аршанского М.М. [9] и его учеников.
Проников А.С. [141, 238] предложил классификацию процессов при механической обработке по быстродействию. К быстропротекающим относятся процессы вынужденных колебаний, прецессии, нутации, галопирования и др. механические явления в технологической системе.
Появилось немало математических моделей, из которых определяли значение высоты и координат волны. В большинстве моделей заготовку и режущий инструмент принимали, как абсолютно твердое тело, с кинематикой их движения, учитывающей наличие относительных колебаний. В некоторых работах [106] колебания, как таковые, не учитывали, но учитывали изменения формы инструмента от заданной, чем и объясняли появление волнистости на обработанной поверхности. В некоторых моделях учитывалось только биение рабочей поверхности инструмента [376] и оно отождествлялось с механическими колебаниями. Модели [41], учитывающие только дискретность процесса резания, получили дальнейшее развитие для, например, прерывистого шлифования. Стали учитывать упругие деформации в зоне контакта инструмента с заготовкой.
Ниже в таблице 1.4. приведен обзор основных литературных источников, где описаны математические модели волнистой поверхности для разных способов обработки и различных поверхностей.
Разработка методики расчета погрешности установки, обусловленной несовершенством технологической базы
В данной главе выдвигается гипотеза базовой причины образования ППО -анизотропия свойств технологической системы заготовка - инструмент — приспособление - станок (ЗИПС). Анизотропия системы ЗИПС структурно обособлена: 1. по способу материализации, 2. по свойствам, 3. по источникам, 4. по закономерностям деформации, 5. по времени, б.по типу подвижности, 7. по характеру симметрии, 8. по статическим, кинематическим и динамическим характеристикам [Приложение 16]. Механические свойства заготовки характеризуют по состоянию (виду деформации), структурному и геометрическому признаку [6].
Анизотропия механических свойств материалов заготовок определяется особенностями их внутреннего строения. Тела заготовок, как правило, имеют структуру поликристалла с равновероятной расположенностью кристаллитов и структурных элементов и не обнаруживают анизотропии механических свойств. Материалы с иным внутренним строением, зависящим от направления, как правило, анизотропны (монокристаллы, поликристаллические металлы при наличия кристаллографической текстуры или геометрической направленности структурных составляющих и включений). К анизотропным относятся и изделия с "конструктивной анизотропией" - гофрированные листы, железобетон, армированные абразивы, стеклопластики, слоистые и волокнистые композиционные материалы и др.
Анизотропия может быть: начальной (исходной), существующей до процесса нагружения; вторичной (деформационной), т.е. изменившейся или заново возникшей в процессе деформации. Примером начальной анизотропии может служить анизотропия упругих, прочностных и пластических свойств многих монокристаллов. Примером вторичной - возникающая в результате пластической деформации полукристаллического материала, зависимость предела текучести или сопротивления разрушению от ориентировки образца относительно направления наклепа, например, в результате появления в процессе деформации кристаллографической текстуры, геометрической направленности зерен, субзерен, структурных составляющих и включений, ориентированных микронапряжений и др.
Анизотропия различается по виду деформации (упругая, вязко - пластическая или разрушения) при нагружении материала. Упругая анизотропия - анизотропия упругих свойств (модуль нормальной упругости, модуль сдвига, коэффициент Пуассона и др.); в области малых пластических деформаций - анизотропия пределов упругости, текучести и др. свойств; в области значительных пластических деформаций (предел прочности при наличии шейки, ползучесть и др.).
По структурному признаку различают анизотропию гомогенную - кристаллическую; гетерогенную, строчечную и др., присущие только неоднородным структурам. Ориентированные волокна часто разделены другими фазами, например, строчками карбидов, интерметаллидов или неметаллических включений, что и обуславливает анизотропию. Иногда гомогенная и гетерогенная анизотропии существуют одновременно. Гомогенная и гетерогенная анизотропии могут быть исходными - начальными, либо вторичными - деформационными, либо теми и другими одновременно. Третий вид структурной анизотропии связан с ориентированными остаточными микронапряжениями.
По геометрическому признаку различают прямолинейную и криволинейную анизотропию. В первом случае направления с равными свойствами параллельны друг другу, во втором - не параллельны. Примерами служат для первого случая - прямая прокатанная или отпрессованная полоса, во втором - коленчатый вал, прессованная или катанная труба.
Анизотропия химических и геометрических свойств заготовок объясняется особенностями технологических процессов (литья, штамповки, прокатывания и др.) и отклонениями от них. Несоответствие по геометрии объединяет (ГОСТ 19200 - 80) 14 видов дефектов, состоящих в нарушении формы, неточности размеров и массы отливок, недолив, незалив, неслитина, обжим, подутость, перенос и стержневой перекос, стержневой залив, коробление, вылом и зарез, прорыв и уход металла. Дефекты поверхности включают 13 дефектов: пригар, окисление, газовая шероховатость, спай, плена, складчатость, ужимина, нарост, засор, залив, просечка. Несплошности в теле отливки характеризуются 16 видами дефектов: горячая трещина, холодная трещина, межкристаллическая трещина, усадочная раковина и т.д. Несоответствие по структуре: отбел, половинчатость, ликвация, флокен.
Геометрическая анизотропия может быть: точечная, по линии, по площади, по объему, в зависимости от того, какой геометрический критерий в заготовке будет не соответствовать техническим требованиям. Так, объемная анизотропия наблюдается в отливках с периодическими ребрами жесткости. В местах расположения ребер и между ними вследствие разницы температурных деформаций происходит неравномерное по всему объему коробление заготовки. Запланированные правильные геометрические формы искажены в рамках всего объема. Плоская анизотропия бывает у заготовок типа шкивов, зубчатых колес и аналогичных тел вращения, имеющих ребра в виде спиц. После остывания на наружной поверхности вращения обнаруживается геометрическая неравномерность формы в виде огранки, волнистости, шаг которой равен шагу расположения спиц. Минимальный радиус наружной поверхности соответствует сечению плоскости симметрии спицы. Объясняется это разностью усадки материала в разных сечениях. Остывающий и уменьшающийся металл в плоскости ребер тянет за собой металл, расположенный на периферии обода. Металл между ребрами жесткости свободен, не имеет связи с центральной зоной. Аналогичная картина наблюдается при изготовлении отливок деталей коробчатой формы с внутренними либо наружными ребрами жесткости. На плоскости заготовки, под которой есть ребра, после остывания также образуется периодическая геометрическая анизотропия в виде волнистости. Поковки в штампах, штамповки валов с продольной плоскостью разъема, имеет вместо круглой овальную форму поперечного сечения. Это обусловлено обеспечением наибольшей технологичности их изготовления: наилучшие условия течения металла, разъема штампа и т.д. В этом случае число волн равно двум. При листовой штамповке, высадке нередко образуются периодические наружные и внутренние гофры с несколькими волнами, как результат потери устойчивости тонкостенных зон материала заготовки.
По критерию «масштабного уровня» различают макроскопическую, микроскопическую и субмикроскопическую анизотропии. Макроскопическая предусматривает рассмотрение изменения свойств в размерах всего объема либо части заготовки. Микроскопическая рассматривается в объемах кристаллов, зерен с помощью оптического или электронного микроскопа. Субмикроскопическая анизотропия анализируется соответственно в объемах, равных размерам кристаллической решетки вещества и более мелких.
По критерию по "объему" различают единичную и множественную анизотропии. Единичная изучается на заготовке либо детали в единичном, множественная - на нескольких заготовках, например, партии их.
По критерию «закономерности деформаций» различают детерминированную и стохастическую анизотропию. Детерминированная, т.е. закономерная анизотропия, может быть с периодическими и апериодическими изменениями каких либо свойств. При стохастической анизотропии неравномерность свойств носит случайный характер.
В зависимости от состояния механической системы при рассмотрении процессов в системе ЗИПС могут быть использованы соответственно следующие факторы: силы, деформации, массы, сопротивления, упругости, траектории и скорость движения.
Исследование механики образования траектории относительного движения заготовки и инструмента
При изготовлении детали возникают постоянная и периодическая составляющие погрешности обработки. Математическое описание их дано в уравнении (1. 3), где первый член и первое слагаемое второго члена разложения можно принять за постоянную, а остальные слагаемые - за переменные периодические составляющие. Такое описание является приблизительным, но близким к реальности. Задача обеспечения требуемой точности поверхностей заготовки в пределах допуска по параметрам: размеру, форме и расположению сводится к выбору процесса обеспечения необходимого положения режущих кромок инструмента к обрабатываемой поверхности заготовки и обеспечению требуемого положения заготовки и инструмента — см. классификационную схему (рис. 2. 1). Подробный анализ схемы приведен в работе [167]. Ниже приводится краткий анализ процесса по существу.
Требуемое положение заготовки и инструмента гарантируется определенными действиями и процессами от начала обработки партии деталей до начала обработки каждой детали и выполнения технологической операции. К первым действиям относятся процессы наладки и настройки технологической системы одним из двух методов: автоматического получения размера при пробных проходах и замерах.
Технологическая система ЗИПС имеет две самостоятельных части: систему установки заготовки и систему инструмента. Каждую из этих систем налаживают отдельно, а затем одну относительно другой перед началом обработки партии деталей. Обычно установку заготовки выполняют только в начале технологической операции, либо - при переустановке, дискретно внутри операции. Как следует из схемы (рис. 2.1), в ряде случаев процесс установки растягивается по времени выполнения на всю технологическую операцию. Процесс формообразования обрабатываемой поверхности занимает основное, а процесс позиционирования - вспомогательное время, хотя в ряде случаев они могут быть частично или полностью совмещены. Однако характер формообразования зависит от того, как качественно выполнены или выполняются процессы установки, позиционирования заготовки и инструмента. Постоянная слагаемая погрешностей - как следствие точности установки и позиционирования возникает главным образом, в процессе формообразования обрабатываемой поверхности.
Предложенная систематизация факторов, влияющих на достижение точности поверхностей, создает первую базовую предпосылку технологического обеспечения повышения точности изготовления деталей.
Анализ позволил выделить семь видов контактной связи заготовки и приспособления для установки для обработки: 1 - высоко жесткая; 2 - жесткая; 3 - нежесткая (подвижная); 4 - при базировании заготовки на инструменте; 5 -податливая; 6 — весьма податливая; 7 - смешанная [153, 312].
Высокожесткая связь. Применима в расчетных схемах, в которых рассматривают установку заготовки на жесткие установочные элементы (в трехку-лачковом патроне; в тисках; на оправке с закреплением гайкой, гидропластом, или каким либо другим способом; на пластинах, на опорах и т. п.). Какие либо смещения в стыке заготовки с установочными элементами не учитываются.
Жесткая связь. В отличие от высоко жесткой связи учитывает контактные деформации заготовки и установочных элементов. Например, при зажиме заготовка шатуна - в середине его длины. Наблюдается поворот заготовки в месте ее контакта с приспособлением.
Нежесткая подвижная связь. Эта форма контактной связи характерна для подвижного контакта заготовки относительно установочных элементов, например, при установке заготовки на жесткие неподвижные центры круглошлифо-вального станка, что снижает жесткость системы. В другой схеме, при обработке на токарных станках, передний центр токарного станка, установленный в шпиндель, вращается вместе со шпинделем и заготовкой. Однако и здесь снижается жесткость заготовки относительно оси ее вращения.
Связь при базировании заготовки на инструменте (податливая инструментальная связь). Здесь роль установочных элементов выполняют рабочие инструменты. Например, при обкатывании поверхности стержня клапана ДВС тремя равномерно - расположенными роликами, наклонными к образующей стержня.
Податливая связь характерна для случаев установки заготовки в гидродинамических подшипниках, гидростатических, аэродинамических, магнитных подшипниках. Здесь в процессе установки заготовки во время всей операции используется в одном случае, как бы третье тело - среда (масло, воздух под давлением), в другом - электромагнитное или просто магнитное поле. Жесткость такого контакта, как правило, меньше, чем в первых видах связи, что и нашло отражение в его названии.
Весьма податливая связь. Имеет место в упрощенных схемах формообразования. Реакциями в контакте в этом случае пренебрегают.
Смешанная связь - наиболее распространенный вид контакта, когда по одним базам применяют жесткие виды связи, а по другим базам - податливые. Такие связи имеют место, например, при суперфинишировании подшипникового кольца с установкой на гидроопору. По торцу кольца базируют посредством металлической пяты, через которую проходят магнитные силовые
Метод управления траекторией относительного движения заготовки и инструмента
Анализ контактирования заготовки в самоцентрирующим устройстве, например, в 3-х кулачковом самоцентрирующим патроне (рис. 2.10) выявляет два крайних положения заготовки. Для поверхности базы с 2-х волновой огранкой (рис. 2.11, а) показано положение этой поверхности, при котором эксцентриситет, т. е. расстояние ООп является максимальным. Это соответствует случаю совпадения плоскостей симметрии одной из волн с одним из кулачков, например, 2. При этом остальные волны профиля базы 1 контактируют с кулачками 3, 4. Если при установке заготовки вращать ее вокруг оси ОО, то вскоре одна из волн также осью симметрии совпадет с таковой этого кулачка. Для 4-х волновой огранки при угловом шаге волн в 90 для этого потребуется поворот на разность угловых шагов расположения установочных элементов и волн, т.е. 30. Следовательно, в середине этого положения заготовка займет относительно кулачков расположение с наименьшим эксцентриситетом е, мин.
На основании анализа отмеченного было определено ядро группы методов повышения точности установки заготовки: отыскание оптимального положения поверхности технологической базы относительно установочных элементов приспособления, при котором погрешность б базирования, а также погрешность закрепления є3 будут наименьшими. Относительно уменьшения величины є6 это достигается двумя путями: 1) измерением геометрических погрешностей на поверхности базы заготовки, выбором оптимального расположения опор относительно кривой погрешностей и последующим базированием и закреплением заготовки; 2) произвольным базированием на опоры приспособления, измерением положения заготовки при ее перемещении по опорам установкой движения заготовки при наименьшем отклонении и последующем закреплении ее. Реализацией первого пути явился способ установки деталей [196], при котором после измерения и анализа многокомпонентных отклонений поверхности заготовки от правильной формы, на поверхность — базу наносят метку, базируют заготовку в приспособлении путем совмещения метки заготовки с меткой установочного элемента приспособления и закрепляют. Способ отличается тем, что наносят, по крайней мере, две метки по образующим впадин волн превалирующего низкочастотного компонента отклонения от прямолинейности, плоскостности, а также волнистости поверхности базы заготовки. Измеряют сначала расстояние на заготовке от любой из меток до ее поверхности — базы, определяющей положение заготовки в направлении, перпендикулярном вышеописанной поверхности - базы. Затем измеряют расстояние между метками на заготовке, после чего перемещением установочных элементов приспособления совмещают их метки с метками заготовки. Поверхностью — базой обычно служит плоскость. Понятно, что данный способ предназначен для установки заготовок класса «корпусные детали».
Подобно вышеприведенному примеру, для установки заготовок по поверхности вращения, реализован способ установки в самоцентрирующем устройстве [225]. В способе для повышения точности расположения обрабатываемой поверхности, например, отверстия 9 (рис. 2.11) относительно поверхности - базы, имеющей многокомпонентные отклонения от круглости, производится оптимальное фазовое расположение поверхности - базы относительно установочных элементов самоцентрирующего приспособления, при этом метку наносят на поверхность - базу вне станка в статическом состоянии заготовки после измерения и анализа ее многокомпонентных отклонений от круглости так, что она (метка 13) проходит по образующей вершины волны базы. Базирование заготовки выполняют в самоцентрирующем приспособлении, на установочные элементы которого нанесена (метка 12) в виде риски, расположенной в его плоскости симметрии, путем совмещения меток заготовки и установочного элемента.
Дополнительно, в способе установки деталей [197], одновременно с синхронным перемещением опор - штырей последние дополнительно перемещают в направлении, перпендикулярном общей оси, в сторону одного из установочных элементов. При этом скорость этого перемещения выбирают превышающей скорость перемещения установочных элементов друг относительно друга. Для выверки положения заготовки совмещают прямую, прилегающую к поверхности - базе заготовки, с прямой, прилегающей к вершинам опор, например, штырей (рис. 2.12). Известны и другие способы бесштыревой установки [59, 60].
Базирование по скрытым базам обеспечивает более точную установку заготовок, не менее чем вдвое [62, 122]. Недостаточное распространение метода установки заготовок по скрытым базам в производстве объясняется: 1) отсутствием обобщенных научно - технических методик проектирования установки заготовок по скрытым базам; 2) относительной дороговизной технических средств реализации; 3) низкой технической и технологической культурой кадров на многих предприятиях.
Независимо от геометрического образа различают три вида баз: поверхность, линию и точку. Самыми распространенными видами баз являются: поверхность — плоскость симметрии и линия - ось симметрии. Точка, в отличие от названных геометрических образов, может быть представлена многовариантно: 1) центр детали одной поверхности шара; 2) вершина полного или усеченного конуса; 3) точка пересечения двух и более осей симметрии цилиндрических поверхностей, расположенных под углами друг к друга; 4) точка пересечения оси симметрии двух цилиндрических поверхностей с центральной плоскостью симметрии детали, реализуемой различными вариантами реальных поверхностей; 5) точка пересечения центральной оси симметрии с явными или скрытыми перпендикулярными ей плоскостями и др. создающими большое разнообразие вариаций.
