Деформациями технологической системы

В процессе резания происходит нагрев технологической систе­мы. Тепловым деформациям подвергаются режущий инструмент, заготовка, приспособление, станок. Локальный нагрев системы порождает тепловые деформации, части системы занимают в про­странстве новые положения, которые зависят от степени нагрева. При этом на деталях погрешности размера и формы Д,., входящие составной частью в формулу для расчета суммарной погрешности обработки. Следует различать стационарное и нестационарное состояние технологической системы. В первом случае система работает в условиях теплового равновесия, когда подводимая от какого-либо источника теплота равна отводимой. Температура системы в случае теплового равновесия практически не меняется. При нестационарном состоянии температура системы в различные моменты времени в различных ее зонах изменяется.

Это положение иллюстрирует рис. 6.13. Если, например, вклю­чить токарный станок (рис. 6.13 а) и, не производя на нем обработ­ку, измерить температуру в отдельных точках (показаны кружоч­ками), то можно убедиться в том, что температуры окажутся раз­личными.

На этом рисунке дана самая общая картина температур для конкретного станка, шпиндель которого вращается со скоростью

Рис. 6.13. Избыточные температуры и тепловые

деформации токарного станка

1200 . Избыточные (сверх температуры помещения) темпе­ратуры указаны по прошествии 4,5 года работы. Из этой картины следует, что все элементы станка как части технологической сис­темы получают деформации, влияющие на точность выдержива­емого размера и формы детали. Эти деформации до момента теп­лового равновесия системы компенсировать практически очень трудно.

Система достигает теплового равновесия, как правило, за срав­нительно продолжительное время ₀, которое может исчисляться часами (рис. 6.13 б).

За период времени от нуля до ₀ перемещение Z_o изменяется по экспоненциальному закону. По достижении Z₀ перемещение прак­тически прекращается.

На точность обработки заготовок влияют тепловые деформации станка, заготовки и режущего инструмента. Деформирование этих элементов происходит одновременно.

Аналитические расчеты температурных деформаций станков оказываются сложными и малопригодными для практического применения. Поэтому чаще всего используют экспериментальные данные. Наиболее интенсивно нагреваются бабки металлорежущих станков в районе передних подшипников. Если в бабке достаточно масла для смазки трущихся частей, то нагретое масло способствует некоторому выравниванию температуры всей корпусной детали. В этом случае можно сделать прикидочные расчеты деформации L по формуле:

где а — температурный коэффициент линейного расширения; L — линейный размер элемента станка (рис. 6.13 a); t — разность температур между корпусом и окружающей средой.

Такую же формулу можно, например, использовать для опреде­ления удлинения нагретого шпинделя станка. На станках токарной группы температурные деформации шпинделя наиболее ощутимы в вертикальном направлении. Они могут достигать нескольких сотых миллиметра.

Существенное влияние на точность размеров и формы оказы­вает тепловая деформация заготовок. Это хорошо известно из практики. Стараются не производить чистовую обработку нагретой заготовки, не измерять ее в нагретом состоянии, а также правиль­но закреплять, исходя из возможности температурных деформаций в ходе обработки. Последнее обстоятельство особенно важно учи­тывать при обработке длинных заготовок (рис. 6.14 а).

Плита с размерами L и Н, обрабатываемая на продольно-стро­гальном станке, получает температурные деформации из-за раз­личных температур t, и t₂ на верхней и нижней поверхностях. Если плита будет закреплена с двух сторон, она прогнется так, что воз­никает стрела прогиба (рис. 6.14 б):

Рис. 6.14. Температурные деформации заготовок

Эта стрела оказывается пропорциональной квадрату длины. Средняя температура  нагрева заготовки в ходе механической обработки равна:

где Q — теплота, полученная заготовкой в процессе резания, Дж; с — удельная теплоемкость материала заготовки, Дж/(кг с); р — плотность материала заготовки, кг/м³; V— объем заготовки, м³.

Несмотря на сравнительно малое количество теплоты, перехо­дящее в инструмент, во многих случаях учитывают его температур­ные деформации. Удлинения от нагревания консольной части рез­цов характеризуются зависимостью, близкой к приведенной на рис. 6.13 б. Величина этого удлинения может достигать нескольких сотых миллиметра и зависит прежде всего от скорости резания, подачи, глубины резания и механических характеристик обраба­тываемой заготовки. Для состояния теплового равновесия кон- сольно закрепленных резцов их удлинение можно определять по эмпирической формуле:

где С — постоянная (при глубине резания t < 1,5 мм, подаче S < 0,2 мм/об, скорости резания V = 100—200 м/мин постоянная С— 4,5); L* — вылет резца, мм; F— площадь поперечного сечения державки резца, мм².

Все три тепловых воздействия в ходе резания существуют одно­временно. Поэтому можно под значением  понимать погреш­ность от суммарного действия теплоты на всю технологическую систему.