Похибка розмірного налагодження

 

Для прискорення і спрощення попереднього розмірного налагодження верстатів (ТС) з наступним автоматичним досягненням точності обробки для партії заготовок пристрої іноді мають спеціальні налагоджувальні елементи – установи, або еталони. Під час проектування таких верстатних пристроїв потрібно виявити два розмірні параметри їх конструкції: розмір установа й похибку налагодження. Установи найчастіше використовують на фрезерних верстатах. Тому саме на аналізі точності обробки з використанням установів на фрезерних пристроях розглянемо особливості конструкції та методику розрахунку їх точності. Принагідно нагадаємо (див. також розділ 1.3), що у разі відсутності на пристрої елементів для розмірного налагодження, конструкція пристрою не впливає на похибку налагодження .

На рис. 7.1 показана схема взаємодії елементів ТС, які приймають участь у її розмірному налагодженні: заготовка 1, пристрій з установом 3 в комплекті зі щупом 2 та різальний інструмент 4. Налагодження, тобто встановлення інструмента в потрібне положення відносно установа зі щупом, а отже, відносно заготовки, виконують шляхом зближення інструмента та установа до досягнення якнайменшого зазору між ними. При цьому щоб зменшити ймовірність пошкодження інструмента й спрацювання робочої поверхні установа використовують щуп (металевий чи з тонкого паперу). Оскільки такі дії виконують на непрацюючому верстаті (до обробки), то таке налагодження називають статичним. Розмір між опорною поверхнею пристрою та інструментом називають розміром статичного налагодження, а розмір між опорною поверхнею та робочою поверхнею установа – розміром установа. Товщину плоского металевого щупа вибирають в межах 3...5 мм, розмір установа визначають із залежності

. (1.50)

Для налагодження різального інструмента (контролю положення інструмента) застосовують, в переважній більшості, два види установів: висотні згідно з ГОСТ 13443-68 (рис. 7.2, а) і кутові за ГОСТ 13445-68 (рис. 7.2, б). Існують також інші види установів.

 


 


Рисунок 7.1 – Схема установки фрези з використанням

висотного установа

 

Рисунок 7.2 – Стандартні установи

 

Розрахунок розміру установа. Під час обробки внаслідок пружних деформацій в ТС під дією сил різання та сили закріплення заготовки положення інструмента й технологічної (вимірної) бази заготовки змінюється відносно того, яке вони отримали при статичному налагодженні. Позначимо цю величину зміщення (поправки на динаміку процесу) через , тоді можна виразити через розмір, який намагаються досягнути на заготовці в ході обробки і який називають налагоджувальним

. (7.1)

Знак плюс у формулі (7.1) слід брати для випадків, коли деформації в ТС зменшують розмір , а мінус – коли збільшують.

Для визначення налагоджувального розміру потрібно розрізняти два випадки. Якщо в ході обробки систематичні закономірно змінні чинники впливу на розмір (і відповідні похибки обробки) відсутні або несуттєві, то відповідає середині поля допуску на розмір , тобто

, (7.2)

де і – граничні допустимі значення розміру .

Якщо ж такі чинники закономірно змінюють розмір під час обробки партії заготовок (без зміни розміщення інструмента налагодженням чи підналагодженням), то величина залежить від характеру зміни систематичної похибки івеличин випадкових похибок, у тому числі (похибки налагодження), похибки методу обробки та похибки установки, а також від запасу точності процесу.

Якщо систематичний чинник змінює розмір монотонно, причому він в ході обробки партії заготовок має тенденцію до збільшення, то (рис. 1.9,а)

, (7.3)

Якщо ж розмір має тенденцію до зменшення, то (рис. 7.3,б)

, (7.4)

де – похибка миттєвого розсіювання методу обробки з урахуванням похибки налагодження ;

– допуск на розмір ;

– сумарна похибка обробки розміру за період між підналагодженнями.

 
 

Рисунок 7.3 – Схеми розміщення похибок і визначення при обробці зовнішніх (а) і внутрішніх (б) поверхонь

У випадку складної залежності систематичної похибки від часу для виявлення значення потрібно попередньо побудувати діаграму точності процесу з використанням експериментальних або проектних даних.

При обробці на фрезерних верстатах практично єдиним суттєвим систематичним закономірно змінним чинником є розмірне спрацювання інструмента. Похибка від розмірного спрацювання має монотонний характер, що дає змогу в розрахунках точності користуватися формулами (7.4), (7.5).

Проектний розрахунок величини можна виконати за наближеною методикою, опираючись передовсім на величини економічної точності та співвідношення між складовими сумарної похибки. Так, враховуючи рекомендації [9]

 

, (7.6)

де – економічна точність методу;

– систематична закономірно змінна складова сумарної похибки;

– похибка миттєвого розсіювання з похибкою розмірного налагодження.

При цьому мають бути додатково перевірені дві умови:

• для забезпечення надійності процесу сумарна похибка обробки має бути менша за допуск . Для більшості випадків достатньо прийняти . Лише у випадках точної обробки допустимо, щоб ;

• економічна точність методу з урахуванням похибки установки повинна забезпечити потрібну точність обробки

 

.

Отже, формули (7.4) і (7.5) перетворяться відповідно в наступні:

 

, (7.6)

, (7.7)

 

а величина має бути не більша за .

Поправка визначається такими чинниками:

• середнім арифметичним відхиленням профілю обробленої поверхні заготовки;

• пружною деформацією ТС, яка залежить від жорсткості ТС й діючих у ній сил;

• зміщенням інструмента за рахунок зазорів в підшипниках шпинделя.

Отже,

. (7.8)

Величина залежить від методу обробки й регламентується технічною документацією на виріб. Якщо таких даних немає, то можна користуватись орієнтовними залежностями шорсткості від точності обробки (табл. 7.1)

Поправку на пружну деформацію ТС визначають із залежності

 

, (7.9)

де – радіальна складова зусилля різання при обробці, Н;

– жорсткість системи, Н/мм.

Жорсткість ТС залежить від жорсткості її складових, передовсім жорсткості верстата , жорсткості стиків “заготовка-пристрій­” та жорсткості частини ТС, пов’язаної з інструментом,

 

. (7.10)

Таблиця 7.1 – Зв’язок між шорсткістю поверхонь і точності механічної обробки

 

Шорсткість за ГОСТ 2789-73 Квалітет точності при обробці інструментом:
Клас шорст-кості Параметр , мкм
Діапазон значень Значення переважного користування лезовим абразивним
40...20 16...14 –
20...10 12,5 14...13 –
10...5 6,3 12...11 12...10
5...2,5 3,2 11...10
2,5...1,25 1,6 10...9 10...8
1,25...0,63 0,8 8...7 9...7
0,63...0,32 0,4 7...6 8...6
0,32...0,16 0,2 – 6...5
0,16...0,08 0,1 –

 

Величини регламентуються стандартами на верстати серійного виробництва, а також вказуються в паспортних даних верстата. Проте слід мати на увазі, що фактична жорсткість верстата відчутно зменшується в ході його експлуатації.

Орієнтовні значення жорсткості стиків для заготовок і відповідні їм значення податливості зібрані в таблиці 7.2.

 

Таблиця 7.2 – Жорсткість та податливість заготовок на опорах

Встановлення заготовки Жорсткість системи , Н/мм Податливість , мкм/Н
На опорах з рифленнями На опорах зі сферичною поверхнею На площині при класах шорсткості 3 і 4 5 і 6 8 і 9 35000...55000 50000...80000   300000...400000 400000...600000 700000...900000 0,03...0,12 0,02...0,0125   0,0033...0,0025 0,0025...0,0017 0,0014...0,0011

 

Дані в табл.7.2 свідчать, що жорсткість стиків “заготовка-пристрій” на порядок вища за жорсткість верстатів. Тому звичайно в розрахунках впливом можна нехтувати.

Вплив жорсткості частини ТС, пов’язаної з різальним інструментом, вагомий лише у випадках низької жорсткості самого інструмента (наприклад, малорозмірні фрези) або його кріплення (наприклад, кріплення фрези на довгій оправці на горизонтально-фрезерних верстатах).

Поправку на зазор в підшипниках шпинделя можна прийняти згідно з рекомендаціями в межах від 0 до 0,02мм. Величиною часто нехтують, особливо у тих випадках, коли робота ведеться на новому обладнанні. Також слід врахувати і те, що при роботі верстата підшипниковий вузол нагрівається і величина зменшується. Тому для точного розрахунку слід мати перевірені дані про значення величини .

Оскільки розрахунок поправки ґрунтується на використанні орієнтовних величин і наближеної методики, то похибка визначення велика і може сягати 50% від значення . Це, зокрема, є однією з вагомих причин відносно низької точності методу налагодження за еталоном.

Розрахунок похибки налагодження. Похибка налагодження визначається формулою

, (7.11)

де – похибка виставлення інструмента за допомогою щупа. Як правило, ця похибка складає 0,01...0,04 мм;

– сумарна похибка еталона, яка охоплює:

– похибка визначення поправки на налагоджувальний розмір;

,

– допуск на виготовлення еталона (на розмір ). Звично розмір виконують по 7...8 квалітетах точності, для точних робіт – по 6 квалітету;

– допуск на виготовлення щупа (на розмір ). Товщину щупа виконують по 6...8 квалітетах точності (звично це 0,01...0,02 мм).

Похибка налагодження не повинна перевищувати (0,5...0,6) (рекомендоване значення: ). Найменша похибка , яку можна досягти на практиці під час чистової обробки на жорсткому й точному обладнанні, не менша, як правило, за 0,02...0,03 мм. Це відповідає граничній точності обробки 0,05...0,07 мм. Якщо потрібна вища точність налагодження, а можливості її підвищення вичерпані, то слід використати точніші, хоча менш продуктивні, методи налагодження, зокрема в поєднанні з використанням установа для попереднього налагодження.

Висотний установ служить для установки фрези по одній координаті, а кутовий – для установки фрези по двох координатах. Спеціальні установи призначені для налагодження фасонних фрез за допомогою щупів (рис. 7.4. а, б).

Установи виготовляють із сталі У7А або 20X з термообробкою до твердості HRCe 56...61. Установи із сталі 20Х цементують на глибину 0,8...1,2 мм.

Установи не рекомендується конструктивно суміщати з опорними або затискними елементами пристрою.

Для обробці заготовок набором фрез за допомогою установа виставляють (налагоджують) тільки одну фрезу. Взаємне розміщення фрез на оправці контролюється поза верстатом.

 
 

Рисунок 7.4 – Приклад застосування спеціальних установів

для налагодження спеціальних фрез

 

У наслідок того, що при розрахунку неможливо врахувати всі чинники, які будуть виникати в процесі обробки, виникає потреба в корекції розміру щупа. Найбільший вплив з цих чинників має пружня деформація, яка є змінною величиною. Вона зумовлює розсіяння затримуваного розміру заготовки. Тому остаточно налагоджують інструмент на витримуваний розмір після пробної обробки заготовок.

З метою експериментального дослідження точності налагодження верстата на витримуваний розмір обробляють партію деталей в кількості шт. Вважаємо, що розподіл отриманого в процесі обробки розміру заготовки в інтервалі підпорядковується закону нормального розподілу. Центр розподілу розміру характеризується величиною , яку можна визначити за формулою

. (7.12)

 

Розсіяння вибіркових значень розмірів відносно центра групування характеризується емпіричною дисперсією

. (7.13)

 

Оскільки дисперсія отримана з вимірювань обмеженого числа заготовок (з невеликої вибірки), то для розрахунку точності процесу обробки отворів потрібно оцінити середньоквадратичне відхилення . В теорії математичної статистики доказано, що не перевищує , тобто, що найбільше можливе значення можна визначити за формулою

 

, (7.14)

де – коефіцієнт (табл. 8.1), який залежить від прийнятого рівня надійності статистичної оцінки (в технологічних дослідженнях зазвичай приймають 95% рівня надійності) і числа ступенів вільності K (K=N-1).

 

Таблиця 7.3 – Значення залежно від К при надійності оцінки 95%

 

K K K K
6,28 1,755 1,497 1,371
2,87 1,651 1,444 1,352
2,202 1,577 1,416 1,337
1,916 1,522 1,391 1,279

 

 

Для закону нормального розподілу відхилення випадкової величини відносно центра розподілу не перевищує . Тому фактичне поле розсіяння для розміру в даній роботі слід прийняти .

Порядок виконання роботи

7.4.1 Ознайомитись з конструкцією пристрою.

7.4.2 Виконати розрахунок параметрів , , , , . Дані занести в таблицю 7.4.

 

Таблиця 7.4 – Розрахункові дані (в мм) для визначення налагоджувального розміру

       
     
       
                 

 

7.4.3 Здійснити розмірне налагодження технологічної системи на розмір заготовки.

7.4.4 Провести обробку партії заготовок із штук.

7.4.5 Виміряти розмір заготовки. Результати вимірів занести в таблицю 7.5.

 

Таблиця 7.5 – Результати вимірювань розміру

деталей деталей
   
   
...   ...  
   

7.4.5 Виконати статистичну обробку даних таблиці 7.5 і занести їх в таблицю 7.6.

Таблиця 7.6 – Результати статистичної обробки даних

, мм
, мм2
, мм
, мм

 

7.4.6 Побудувати практичну криву розподілу розміру .

7.4.7 Зробити аналіз результатів і висновки по роботі.

7.4.8 Виконати статистичну обробку даних.

7.4.9 Дослідити точність налагодження верстата 1 для отримання розміру .

7.4.10 Порівняти розрахункове значення похибки налагодження з полем миттєвого розсіяння розміру , отриманого в процесі обробки заготовки.

7.4.11 Сформулювати висновки по роботі.

Звіт по роботі

Звіт по роботі повинен містити:

7.5.1 Назва лабораторної роботи.

7.5.2 Номер групи, прізвище та ініціали студента.

7.5.3 Ескіз пристрою з установом.

7.5.4 Теоретичну схему базування заготовки.

7.5.5 Схему встановлення заготовки.

7.5.6 Метрологічні дані вимірювальних інструментів.

7.5.7 Розрахунок параметрів , , , (табл. 7.4).

7.5.8 Виміри розміру партії заготовок (табл. 7.5).

7.5.9 Результати дослідження точності налагодження верстата на розмір (табл. 7.6).

7.5.10 Висновки по роботі.

7.5.11 Дату, підписи студента і викладача.

Запитання для самоконтролю

7.6.1 Конструкції установ, матеріал виготовлення.

7.6.2 З якою метою при налагодженні інструмента застосовують щуп?

7.6.3 Конструкції установів, які застосовуються для налагодження блоку з трьох фрез;

7.6.4 Конструкція установа для фасонної фрези і особливості налагодження верстата;

7.6.5 Які складові входять у формулу для визначення похибки налагодження, запишіть її?

7.6.6 Як розраховується налагоджувальний розмір ?

7.6.7 З якою метою враховується поправка ?

7.6.8 З якою точністю можна налагодити фрезерний верстат на розмір по установу?