Сила резания через жесткость технологической системы трансформируется в относительное упругое перемещение режущего инструмента и заготовки, являющееся основной частью ωд
.
Использование понятия эквивалентной силы объясняет непонятные явления, получившие название «отрицательной» и «бесконечной» жесткости.
Жесткость технологической системы переменна. Значения характеристик жесткости станка в статическом состоянии и во время его работы не одинаковы. Таким образом:
1. Под жесткостью СЕ и технологической системы следует понимать их способность оказывать сопротивление перемещению выбранной точки в направлении действия силы, порождающей это перемещение.
2. Жесткость следует измерять отношением:
.
3. Жесткость является случайной величиной и не может быть отрицательной или бесконечно большой.
4. Условия измерения жесткости требуют строгой регламентации – указания координат точек измерения, приложенных нагрузок, t° и т.д.
5. Величина обратная жесткости, получила название податливости:
.
это способность СЕ или технологической системы изменять относительное положение двух избранных точек под воздействием приложенной силы в направлении ее действия.
Вследствие рассеяния значений припусков и характеристик свойств материалов заготовок (например, твердости) значения силы резания будут также рассеиваться от Рмм
до РмG
. Если при этом учесть, что значения жесткости технологической системы случайны и подлежат рассеянию от Jмм
до JмG
, то, даже при стабильном рассеянии значений силы резания, значения поля ωy
рассеяния упругих перемещений и координаты ∆ωy
его середины не будут оставаться постоянными.
При изготовлении в больших количествах одноименных деталей одновременно с жесткостью технологической системы, могут изменяться и значения характеристик рассеяния припусков и твердости. Такие изменения повлекут за собой изменения значений сил резания, что отразится на поле ωy
рассеяния упругих перемещений и координате ∆ωy
его середины и приведет к изменению точности деталей.
Увеличение поля рассеяния значений твердости (припуска) заготовок вызовет увеличение поля рассеяния значений силы резания, которое, в свою очередь, вызовет увеличение поля рассеяния упругих перемещений и, в конечном счете, приведет к расширению мгновенного поля рассеяния размера валов.
Неравномерный припуск, снимаемый с поверхности заготовки, неоднородные свойства материала в различных частях заготовки, неодинаковая жесткость технологической системы при обработке заготовки в разных ее сечениях приводят к отклонениям формы обработанной поверхности детали. Например, удаление неравномерного припуска с поверхности заготовки вызовет отклонения формы обработанной поверхности в продольном сечении детали, в определенной мере повторяющие форму поверхности заготовки.
Повышение жесткости технологической системы является одним из средств сокращения погрешности ωд
динамической настройки и увеличения производительности обработки. Существуют следующие основные пути увеличения жесткости технологических систем.
1. Повышение собственной жесткости конструкции станков, приспособлений и режущего инструмента за счет сокращения числа звеньев в конструкторских размерных цепях, большей жесткости самих деталей и применения устройств, обеспечивающих предварительный натяг наиболее ответственных элементов технологической системы.
2. Обеспечение максимально достижимой жесткости станка, приспособлений и инструментов в процессе их изготовления. Особое внимание нужно уделять контактной жесткости поверхностей стыков деталей и качеству сборки элементов технологической системы.
3. Сокращение числа составляющих звеньев в размерных цепях технологических систем. Такого сокращения можно достичь. Применяя приспособления, исключающие или уменьшающие влияние податливости станка на точность изготовляемой детали.
4. Повышение жесткости заготовки путем применения дополнительных опор, в частности, люнетов.
5. Правильные условия и режимы эксплуатации технологической системы.
6. Систематический надзор за оборудованием и восстановление его первоначальной жесткости регулированием зазоров в подвижных соединениях. Шабрением трущихся и износившихся поверхностей, периодический ремонт.
7. Многообразие факторов, влияющих на жесткость технологической системы, не позволяют установить ее расчетным путем. Обычно жесткость технологической системы определяют эмпирическими методами[1]
.
В процессе обработки заготовок звенья технологической системы находятся под непрерывным воздействием различных источников теплоты. Основными источниками теплоты являются механическая работа, затрачиваемая на резание, и работа по преодолению сил трения движущимися деталями станка. К этому добавляется теплота, создаваемая работой электрических и гидравлических систем станка, теплота, сообщаемая внешней средой. Неодинаково нагретыми могут быть заготовки, поступающие на обработку. Изменения температуры технологической системы порождают дополнительные пространственные относительные перемещения ее исполнительных поверхностей и, как следствие, добавочные слагаемые погрешности динамической настройки. Перемещения, порождаемые изменениями температуры, получили название температурных деформаций.
Распределение теплоты в технологической системе неравномерно. Одни ее компоненты, даже части отдельных деталей, нагреваются сильнее другие слабее.
Нагрев деталей станка происходит в результате работы его механизмов, гидроприводов и электроустройств. Теплота станку сообщается также СОЖ, нагревательными устройствами, находящимися вблизи станка, воздухом в цехе. Наибольшей степени в станке нагревается шпиндельная бабка. Температура ее корпуса в различных точках может доходить до 30—70o
С, а шпинделей и валов — до 40-100o
С. Меньше нагревается станина. Соответственно уровню нагрева детали станка деформируются в трех координатных направлениях, нарушая тем самым первоначальную точность станка.
Тепловые деформации режущего инструмента вызывает теплота, отводимая из зоны резания. Несмотря на то, что доля теплоты, приходящаяся на инструмент, составляет лишь 2-5%, и ее оказывается достаточно для нагрева режущих кромок до 900o
С. В результате, например, изменение вылета токарных резцов средних размеров в процессе обработки заготовки могут доходить до 0,05-0,06 мм. Значения тепловых деформаций режущего инструмента зависят от скорости и глубины резания, подачи и геометрии инструмента, его вылета, эффективности охлаждения и др.
Тепловые деформации станка и инструмента протекают в пространстве и приводят к отклонениям относительного положения заготовки и инструмента, приданного им в пр
Обычно заготовки обрабатывают с перерывами в работе станка, вызываемыми, например, необходимостью замены заготовок. Изменение теплового состояния резца и его вылета влекут за собой отклонения формы обработанной поверхности детали.
Часть теплоты, выделяющейся в зоне резания, передается в заготовку. В зависимости от способа режимов обработки отвод теплоты в заготовку может быть различным. Например, при токарной обработке он может составлять до 10% в общем тепловом балансе, а при сверлении – до 55%. Следовательно, в процессе обработки заготовка может значительно нагреваться и деформироваться. Причем наибольшие деформации возникают при обработке тонкостенных заготовок. В большинстве случаев поверхность заготовки обрабатывают постепенно. Поэтому источник теплоты в зоне резания непрерывно (или с перерывами) перемещается по обрабатываемой поверхности заготовки[2]
.
Впереди источника теплоты в поверхностных слоях заготовки движется опережающая волна тепла, которая при подходе резца к концу заготовки существенно увеличивает ее нагрев. Объясняется это тем, что на границе двух сред (металл-воздух) ухудшается теплопроводность среды и теряет свою скорость теплоотдача. Материал заготовки при этом нагревается и расширяется сильнее, из заготовки удаляется больший слой материала. Вместе с изменениями температур заготовки, на различных ее участках изменяется нагрев резца и его вылет. В результате после обработки и охлаждения заготовки ее поверхность обретает форму.
Причиной снижения точности деталей также может быть и разная степень нагрева заготовок, поступающих на обработку, что присуще массовому производству. Различие условий обработки заготовок на предшествующих операциях, нарушение очередности их транспортирования с одной операции на другую приводит к тому, что на обработку попадают и слабо и сильно нагретые заготовки. Получая дополнительный нагрев при обработке на данной операции, заготовки будут иметь различную усадку при остывании. В результате этого произойдет не только смещение М (х), но и увеличение значения поля ω рассеяния размеров в партии деталей.
В обеспечении требуемой точности детали тепловые деформации технологической системы и заготовок приобретают особую значимость на отделочных операциях, где колебания припусков, а, следовательно, силы резания и упругих перемещений оказываются незначительными. Основными мероприятиями по уменьшению тепловых деформаций являются следующие: применение СОЖ; создание термоконстантных цехов; введение в конструкцию станков, устройств, стабилизирующих температуру; прогревание станков на холостом ходу до начала работы; сокращение перерывов в работе до минимума; настройка технологической системы на рабочий настроечный размер, учитывающий влияние тепловых деформаций; встраивание в станке автоматических подналадчиков; увеличение скорости резания; шлифование заготовок кругами большего диаметра; установка перед ответственными операциями термостатических устройств, выравнивающих температуру заготовок, поступающих на обработку; чередование операций в технологическом процессе с большим и меньшим нагревом заготовок; применение транспортных средств, обеспечивающих соблюдение очередности в прохождении заготовками операции технологического процесса.
Технологический процесс изготовления станин не может быть выполнен без участия человека. В зависимости от уровня автоматизации технологического оборудования это участие может иметь различные формы.
При изготовлении детали на универсальных неавтоматизированных станках в функции рабочего входит установка заготовки, настройка станка, осуществление технологического процесса обработки заготовки и контроль точности изготовленной детали. Успешное решение задач, возложенного на рабочего зависит от его квалификации, состояния (степень утомления, настроение и т.п.), состояние оборудования и условий, в которых ему приходится работать. На точности и характере распределения отклонений размеров деталей, изготовленных на универсальных станках, отражается постоянная боязнь рабочего получить неисправимый брак. Этот психологический фактор вынуждает рабочего придерживаться при изготовлении детали «безопасных границ полей допусков», что приводит к смещению центра группирования размеров обрабатываемых деталей.
При изготовлении деталей на настроенных полуавтоматических станках функции рабочего сводится к установке заготовки в приспособлении, включению станка и съему заготовки или изготовленной детали. Настройку станка чаще осуществляет наладчик, он же контролирует точность полученных размеров. Несмотря на то, что роль квалификации рабочего здесь сведена до минимума, его влияние на точность изготовляемых деталей может быть весьма существенным, т.к. именно рабочий обеспечивает стабильное и надежное закрепление заготовки.
При изготовлении детали на автоматических станках рабочий из непосредственного исполнителя технологического процесса превращается в руководителя им. В обязанности работающего вменяются настройка станка, наблюдение за ходом технологического процесса и устранение отклонений в нем. Выполнение этих функций требует всесторонних знаний и навыков, т.е. более квалифицированного труда. Например, оператор, обслуживающий многооперационный фрезерно-расточной станок с программным управлением, одновременно должен владеть квалификацией фрезеровщика, сверловщика, расточника, до тонкостей знать программное управление и устройство станка.
На основании изложенного можно сделать следующие выводы:
1. качество изготавливаемых деталей находится в прямой зависимости от квалификации;
2. создание благоприятных условий для труда, облегчающих физическую и умственную деятельность работающего, является одним из средств повышения качества продукции и производительности труда;
3. в массовом и крупносерийном производстве при выполнении однообразной и монотонной работы следует периодически делать перестановку рабочих с одних операций на другие, создавая тем самым разнообразие в их труде;
4. при конструировании приспособлений следует избегать ручных зажимов и применять пневматические, гидравлические, электромеханические зажимы, обеспечивающие стабильность сил закрепления заготовок[3]
.
[1]
Подураев В.Н. Технология физико-химических методов обработки. - М.: Машиностроение, 1985. - 264с
[2]
Основы технологии машиностроения: Учебник для вузов. / Под ред. В.С.Корсакова. - М.: Машиностроение, 1977. - 416с.
[3]
Суслов А.Г.Технология машиностроения. – М.: Машиностроение. – 2004. – 400с.