Рис. 4.12. Зависимость шероховатости от подачи (П.Е. Дьяченко)
Рис. 4.11. Настройка токарного станка по эталону
Рис. 4.10. Настройка фрезерного станка по габариту
Следовательно, при использовании метода автоматического получения размеров на настроенных станках задача обеспечения требуемой точности обработки переносится с рабочего на технолога и наладчика, производящих расчет и предварительную настройку станка.
Преимуществами метода автоматического получения размеров на настроенных станках являются:
1) повышение точности обработки и снижение брака;
2) рост производительности обработки за счет устранения потерь времени на раз- метку заготовки и осуществление пробных ходов и промеров.
Недостатки метода заключаются в следующем:
1) невозможно получить высокую точность на неточном оборудовании;
2) нельзя исправить брак заготовки;
3) необходимость в изготовлении или приобретении приспособлений и приборов для настройки станков.
Обеспечение стандартизованных параметров качества поверхностного слоя, в частности шероховатости, в условиях единичного, а для неответственных деталей и в мелкосерийном производстве, базируется на опыте рабочего. В условиях среднесерийного, крупносерийного и массового производств, а для ответственных деталей и в мелкосерийном производстве, обеспечение качества поверхностного слоя базируется на строгом соблюдении технологических режимов, рассчитанных по схеме, изложенной в предыдущем параграфе.
|
|
Однако, как в первом, так и во втором случаях, выбранные условия обработки, вследствие воздействия случайных факторов (колебания твердости и припуска заготовки, износ инструмента и др.), зачастую требуют своей корректировки в производственных условиях. Эта корректировка может осуществляться вручную и автоматически с использованием адаптивных систем.
При ручной корректировке после изготовления первой детали и измерения параметров качества ее поверхности производят соответствующее изменение одного или нескольких условий обработки. Для этого необходимо хорошо знать характер взаимосвязи, технологически обеспечиваемых и контролируемых параметров поверхности с условиями ее обработки. Такие данные для различных методов обработки деталей приведены в табл. 3.1 - 3.4. Их анализ показывает, что при лезвийной обработке основное влияние оказывают: на точность размеров и формы деталей - точность станка, жесткость технологической системы и материал режущего инструмента; на волнистость - жесткость системы и точность станка; на параметры шероховатости — подача (при S≥ 0,08 мм/об); на физико-механические свойства - СОТС, геометрия режущей части инструмента и режимы (последовательность перечисления условий обработки определяется уменьшением степени их влияния).
|
|
Так, экспериментальные исследования, проведенные в Брянском государственном техническом университете, по изучению влияния динамической жесткости металлорежущих станков на качество обработанных поверхностей позволили получить следующие зависимости:
1) обработка на токарно-винторезных станках:
(4.17)
(4.18)
где S - подача (0,1...0,25 мм/об); v- скорость резания (56...112 м/мин); t — глубина резания (0,5...2,0 мм);
2) обработка на универсально-фрезерных станках:
(4.19)
(4.20)
где Sz – подача на зуб фрезы (0,02...0,04 мм/зуб); v - скорость резания (62...124 м/мин); t — глубина фрезерования (0,3...1,0 мм).
Анализ полученных зависимостей подтверждает вывод, сделанный на базе теоретических исследований, что динамическая жесткость металлорежущих станков при чистовой обработке деталей оказывает основное влияние на волнистость поверхности, а на шероховатость - подача.
Превалирующая роль подачи на высотные параметры шероховатости, в частности Rz, была доказана еще в 40-е годы XX века. В частности, зависимость параметра шероховатости Rz от подачи при точении по данным П.Е. Дьяченко выглядит следующим образом (рис. 4.12).
Анализ этого рисунка показывает, что точение с подачей меньше 0,08 мм/об не приводит кснижению высоты шероховатости по закону параболы (рис. 4,12, кривая 3), который использовался в то время для теоретического ее описания
(4.21)
где r - радиус при вершине резца.
Из экспериментов следовало, что с дальнейшим уменьшением подачи шероховатость не уменьшается (кривая 2), а даже увеличивается (кривая 1). Теоретическое описание этого процесса дано в главе 3 данного учебника. Эта неизменность или увеличение Rz объясняется пластическим оттеснением обрабатываемого материала в зоне контакта с инструментом, т.е. составляющей шероховатости — h3. Ее анализ в уравнениях (3.6) - (3.9) показывает, что для уменьшения шероховатости при S< 0,08 мм/об необходимо стремиться к уменьшению радиусов при вершине и скруглению режущей кромки инструмента, т.е. необходимо обработку производить остро заточенным инструментом.
При алмазно-абразивной обработке оказывает влияние: на точность размеров и формы деталей - точность станка, жесткость технологической системы, глубина резания и число выхаживаний; на волнистость - жесткость технологической системы, точность станка, число выхаживаний; на шероховатость - зернистость, число выхаживаний, концентрация и подача; на физико-механические свойства - глубина резания, зернистость иСОТС.
Это убедительно подтверждают и экспериментальные исследования. Так, эмпирические уравнения взаимосвязи параметров качества поверхностного слоя деталей из стали 40Х (HRCэ30...35) с условиями их шлифования имеют следующий вид:
(4.22)
(4.23)
(4.24)
где v- окружная скорость детали (0,33... 0,83 м/с); S пр - продольная подача (0,3 В...0,8 В, В - ширина круга); S рад - радиальная подача (0,01... 0,05 мм/дв.ход); n - число выхаживаний (5... 10); H -твердость круга (СТ2; СМ1); Z - зернистость круга (16... 40); j ст - жесткость круглошлифовального станка (9,8... 29,4 мН/м).
При отделочно-упрочняющей обработке ППД точность размеров и формы деталей зависят, в основном, от исходного значения, частично, от рабочего усилия, числа рабочих ходов и предела текучести обрабатываемого материала; волнистость, кроме перечисленных факторов, зависит от формы рабочего инструмента; шероховатость - от ее исходного значения, рабочего давления, подачи и предела текучести обрабатываемого материала. Анализ табл. 3.3 показывает, что при ОУО ППД в наибольшей мере можно управлять физико-механическими свойствами, которые значительно зависят от рабочего давления, числа рабочих ходов, подачи, формы инструмента, предела текучести обрабатываемого материала и СОТС.
|
|
Это подтверждают и результаты экспериментальных исследований. Так, при вибронакатывании плоских поверхностей деталей из стали 40Х (HRC, 30...35) эмпирические уравнения взаимосвязи параметров качества поверхностного слоя с условиями обработки имеют следующий вид:
(4.25)
(4.26)
(4.27)
где Ra исх - исходная шероховатость поверхности (0,5...1,6 мкм); р - рабочее давление (200...600 МПа); п - число рабочих ходов (1...3); S пр, - продольная подача (200...600 мм/мин).
Их анализ подтверждает вывод, сделанный по теоретическим исследованиям, что основное влияние на качество поверхностного слоя при ОУО ППД оказывает рабочее давление и исходное качество поверхности.
При электроэрозионной обработке деталей:
(4.28)
(4.29)
(4.30)
где А и– энергия импульса (0,0002...0,0125 Дж); Пд - критерий Палатника материала детали (2,51 1014...6,8 1014); Пи - критерий Палатника материала инструмента(5,98 1014...2,23 1014); — исходная волнистость обрабатываемой поверхности(1,6...10мкм); - волнистость рабочей поверхности инструмента (1,6...5 мкм).
Для автоматизированной корректировки режимов обработки используются различные адаптивные системы активного контроля с обратной связью.
Адаптивное управление точностью обработки разработано в МГТУ (СТАНКИН) коллективом ученых во главе с профессором Б.С. Балакшиным. Его сущность заключается в автоматизированном управлении упругими перемещениями путем изменения продольной подачи. Они позволяют:
1) существенно повысить точность обрабатываемых заготовок и других показателей качества за счет уменьшения поля рассеяния, порождаемого совокупным действием факторов, являющихся случайными при обычной обработке; повышение точности обработанных заготовок при этом тем больше, чем выше удельное влияние поля рассеяния, создаваемого совокупным действием случайных факторов, в поле допуска, установленного на соответствующий параметр точности заготовки;
2) увеличить штучную производительность подавляющего большинства технологических систем; рост производительности обработки достигается за счет применения наивысших режимов резания, допускаемых технологической системой при заданной точности и реально существующих колебаниях твердости и размеров исходной заготовки и жесткости системы по длине обработки, а также за счет прохождения режущим инструментом холостых ходов и участков обработки с минимальным припуском при максимальной подаче;
|
|
3) использовать чрезвычайно тонкий и чувствительный механизм регулирования технологической системы, работающей без скачков, с сохранением постоянного размера статической настройки;
4) обеспечить обработку заготовок с равномерной нагрузкой технологической системы, что способствует более экономичному использованию системы и режущего инструмента, повышает долговечность работы системы и снижает затраты на режущий инструмент.
К недостаткам метода управления упругими перемещениями технологической системы следует отнести влияние изменения продольной подачи на шероховатость обработанной поверхности. Известно, что при увеличении продольной подачи шероховатость обрабатываемой поверхности возрастает, поэтому при колебаниях продольной подачи (при ее регулировании с целью компенсации изменения усилия резания) шероховатость поверхности становится неоднородной. Следует, однако, заметить, что во многих случаях обработки этот недостаток не является существенным, так как наиболее ответственные детали, для служебных свойств которых важно постоянство шероховатости поверхности, после обычных получистовых и чистовых операций проходят более тонкую доводочную обработку.
Системы автоматического управления точности обработки нашли применение в ряде конструкций станков, выпускаемых отечественной промышленностью. Вместе с тем следует отметить, что, несмотря на большие достоинства систем адаптивного управления, имеется ряд факторов, ограничивающих их использование. К ним относятся рост стоимости станков, оснащаемых этими системами; усложнение и удорожание их наладки, обслуживания и ремонта. В случаях многоинструментной обработки системы адаптивного управления в значительной мере теряют свои преимущества.
Изложенные идеи автоматического управления в настоящее время широко разрабатываются у нас в стране и за рубежом при создании станков с адаптивным управлением по различным параметрам режимов резания (сила, мощность, температура в зоне резания) или одновременно по комплексу параметров. При этом наиболее перспективно применение подобных систем в станках с ЧПУ, управляемых мини-ЭВМ и микропроцессорами.
Так, Рыбинской авиационной технологической академией, под руководством проф. В.Ф. Безъязычного, разработана адаптивная система, базирующаяся на косвенном контроле параметров качества обрабатываемой поверхности через силу и температуру резания.
В ФРГ под руководством проф. X. Салье разработана прямая система адаптивного управления качеством обрабатываемой детали, в том числе и параметром шероховатости Ra, при шлифовании (рис. 4.13).
Рис. 4.13. Система адаптивного управления качеством обрабатываемой детали при шлифовании:
1 – деталь; 2 – шлифовальный круг
Диаметр D, шероховатость Ra, заготовки и радиальная сила шлифования Р в форме электрических сигналов поступают в электронные преобразующие устройства ЭПУ, откуда их значения поступают на аналоговый вход вычислительной машины. Сигнал работы шлифования А определяется по скорости изменения измеряемого диаметра заготовки. Вычислительная машина в зависимости от измеренных и вычисленных параметров Ra, Р, ширины круга В и А оптимизирует значение поперечной подачи S поп, передаваемой вуправляющее устройство УУ, где она кодируется и поступает в виде электрического сигнала на шаговый электродвигатель ШЭ. Сигнал радиальной силы шлифования Р также поступает на управляющее устройство для своевременного переключения быстрого подвода круга на рабочую подачу при соприкосновении круга с заготовкой и остановки станка, если радиальная сила шлифования превысит допустимую.
Для адаптивного управления микротвердостью и остаточными напряжениями поверхностного слоя обрабатываемой детали необходимо дополнительно измерять ее температуру, Аналогичный принцип адаптивного управления качеством обрабатываемой поверхности деталей машин может быть применен и при других методах обработки. Так, общий вид аналогичной системы адаптивного управления качеством обрабатываемой детали при хонинговании цилиндра приведен на рис. 4.14. Диаметр D, шероховатость Ra заготовки и давление брусков р, измеряемые в процессе хонингования специальными датчиками, в виде электрических сигналов поступают в электронные преобразующие устройства ЭПУ, откуда их значения передаются в аналоговый вход вычислительной машины. Вычислительная машина по запрограммированной стратегии и в зависимости от величины измеренных и вычисленных D, Ra и р оптимизирует значение подачи S или давление брусков р по диаметру при чистовом и по шероховатости Ra при отделочном хонинговании, обеспечивая максимальную производительность. Значение этой подачи или давление брусков передается в управляющее устройство УУ, где оно кодируется и поступает в виде электрического сигнала на шаговый электродвигатель ШЭ, осуществляющий регулирование радиальной подачи или давления брусков.
Рис. 4.14. Система адаптивного управления качеством обрабатываемой детали при хонинговании:
1 – деталь; 2 – хон
В Брянском государственном техническом университете разработана и реализована система адаптивного управления параметром шероховатости Ra при точении наружных поверхностей вращения.
Для активного контроля параметра шероховатости используется цеховой профилометр мод.296 с усовершенствованной опорой и ощупывающей иглой с радиусом т= 80 мкм, который рассчитан из условий полного ощупывания профиля шероховатости и отсутствия пластических деформаций шероховатости при ее измерении. Переработка опоры и ощупывающей иглы объясняется еще и необходимостью устранить их касательные колебания, обусловленные вращением контактирующей измеряемой детали. Поэтому специально изготовленная ощупывающая алмазная игла вставлена в торец штока, который вертикально перемещается в бронзовой прецизионной направляющей. Обратный торец штока находится в постоянном контакте с иглой датчика профилометра,
В качестве воздействующего фактора на возможность оперативного изменения шероховатости поверхности в процессе обработки было проанализировано теоретическое уравнение по расчету параметра шероховатости при лезвийной обработке. Этот анализ показал, что изменение скорости подачи оказывает в 5 - 20 раз большее влияние на изменение шероховатости, чем изменение скорости резания. Поэтому в качестве воздействующею режима была выбрана скорость подачи. Общая блок-схема разработанной системы автоматизированного управления качеством обрабатываемой поверхности детали представлена на рис. 4.15.
Принцип действия САУ следующий. В ПЭВМ вводится необходимая информация: требуемая шероховатость обрабатываемой поверхности и допустимый диапазон ее изменения; диаметр, длина и физико-механические характеристики материала обрабатываемой заготовки, режимы резания, геометрия режущего инструмента и динамическая жесткость металлорежущего станка.
По введенным данным, используя теоретические формулы, приведенные в этой главе, производится расчет начальной величины подачи S, обеспечивающий заданный параметр шероховатости Ra (Ra = 0,2 Rz). После этого начинается обработка заготовки. При достижении длины обрабатываемого участка l ≥ 10 мм на нее устанавливается опора и ощупывающая игла датчика профилометраизапускается профилометр. После измерения шероховатости и ее сравнения с заданной, при необходимости производится расчет и корректировка величины подачи через цифровой аналоговый преобразователь (ЦАП), систему управления электроприводом подачи (СУЭП) и электропривод подачи (ЭП), Изменение подачи происходит в процессе обработки. После корректировки подачи, опять производится измерение шероховатости обработанного участка с измененной подачей и весь цикл работы САУ повторяется.
Рис. 4.15. Блок-схема САУ параметрами качества поверхности детали при обработке
Данная система автоматизированного управления с успехом может быть использована и при обеспечении закономерного изменения параметра шероховатости поверхности по длине обрабатываемой детали.
Для обеспечения требуемой точности в зависимости от допуска на замыкающее звено, количество звеньев, составляющих сборочную размерную цепь, в серийном производстве используются следующие методы:
1) метод полной взаимозаменяемости;
2) метод неполной (частичной) взаимозаменяемости;
3) метод групповой взаимозаменяемости;
4) метод регулирования;
5) метод индивидуальной пригонки.
Метод полной взаимозаменяемости применяется при простых размерных цепях и не очень жестком допуске на замыкающее звено и используется в серийном, массовом производстве. При сборке методом полной взаимозаменяемости происходит лишь соединение сопрягаемых деталей и частей изделия, что позволяет обеспечить поточность сборки, упрощает снабжение запасными частями и ремонт машин, находящихся в эксплуатации, Применение метода ограничивается высокой себестоимостью изготовления деталей с узкими допусками.
Метод неполной (частичной) взаимозаменяемости применяется при допусках на составляющие звенья больше, чем при методе полной взаимозаменяемости. Требуемая точность замыкающего звена достигается не у всех собираемых объектов. Метод используется в мелкосерийном, крупносерийном производстве, В основе метода лежит положение теории вероятностей, по которому крайние величины размеров звеньев цепи встречаются реже, чем средние. Поэтому процент изделий, у которых величина замыкающего звена выходит за пределы требуемого допуска, незначителен. Дополнительные затраты на исправление брака небольшого числа изделий малы по сравнению с экономией труда и средств, получаемой при изготовлении деталей с более широкими допусками.
Метод групповой взаимозаменяемости применяется при простых размерных цепях и узком допуске на замыкающее звено и используется в массовом и крупносерийном производстве. При этом методе конструктивные допуски меньше технологических. Требуемые по конструктивным соображениям допуски посадок и замыкающих звеньев получают путем подбора охватывающих и охватываемых и составляющих звеньев, изготовленных с увеличенными допусками. Соединение деталей производят при непосредственном подборе или предварительной сортировке деталей на группы, или их сочетании (сортировки деталей на группы и непосредственно подбором).
При непосредственном подборе сборщик выбирает из всех деталей такие, которые дают требуемую посадку. Этот метод неприемлем для условий поточной сборки из-за колебаний времени на подбор деталей.
При поточном производстве осуществляется предварительная сортировка деталей на группы. Это осуществляется в определенной последовательности.
1. По чертежу определяют допуск требуемой посадки путем суммирования конструктивных допусков TD и Td на размеры сопрягаемых деталей (рис. 4.1б).
2. Устанавливают приемлемые для производства расширенные допуски на изготовление сопрягаемых деталей, т.е. технологические допуски TDТ и TdТ. Эти допуски должны быть по величине кратны конструктивным допускам.
3. Определяют число групп сортировки деталей
(4.31)
Рис. 4.16. Исходная схема для определения технологических допусков деталей при обеспечении точности сборки методом групповой взаимозаменяемости
При сортировке деталей на группы применяют специальные инструменты, приспособления, а также высокопроизводительные сортировочные автоматы. Детали каждой группы маркируют и доставляют на сборку в особой таре.
Метод регулирования применяется при малых допусках на составляющие и замыкающее звено и большом количестве составляющих звеньев. Данный метод используется в единичном и серийном производстве. Сборка методом регулирования заключается в том, что на размеры деталей, входящих в данное соединение, устанавливают технологические допуски, а требуемый допуск на замыкающее звено достигают введением в размерную цепь дополнительного компенсирующего звена (рис. 4.17 ).
Соединение, изображенное на рис. 4.17, собирают методом регулирования путем подбора кольца К (рис. 4.17, а) или перемещением втулки В (рис. 4.17, 6) для достижения зазора х. В качестве компенсатора применяют шайбы, прокладки, регулируемые винты или втулки с резьбой, клинья и другие элементы. Преимущества этого метода: возможность обработки входящих в соединение деталей по расширенным допускам, простота сборки при высокой точности ее выполнения; возможность регулирования не только при сборке, но и в процессе эксплуатации.
Метод индивидуальной пригонки применяется в случаях, когда конструкторские допуски меньше технологических и используется в единичном и мелкосерийном производствах.
Сборка по этому методу заключается в том, что заданная точность сопряжения достигается путем индивидуальной пригонки одной из сопрягаемых деталей к другой.
Заданный зазор х обеспечивается пригонкой детали А по толщине (рис. 4.18). Пригонку выполняют припиливанием, шабрением, притиркой, совместной обработкой сопряженных поверхностей (растачиванием или развертыванием отверстий для обеспечения соосности), обработкой одной детали при активном контроле обрабатываемой и сопрягаемой с ней другой детали.