Основы приборостроения

лекции для РЛ6-31; модуль 2

в квадратных скобках даны части фраз, пропущенные при записи или восстановленные из контекста при перепечатывании лекции

II.1.3 Погрешность базирования. Понятие о базах. Методика определения погрешности базирования

Погрешность базирования является одной из основных погрешностей, связанных с установкой заготовки в приспособлении при обработке. Погрешность базирования является случайной при обработке партии деталей на настроенном станке. По отношению к одной детали погрешность базирования выражается обычно в геометрическом виде.

Под установкой заготовки понимают придание заготовке ориентированного положения относительно геометрических осей приспособления (станка, инструмента…) с последующим фиксированием (закреплением) заготовки в данном ориентированном положении, т.е. под установкой понимается базирование (ориентирование) по координатам + закрепление. Для правильного, точного базирования заготовка должна быть лишена в общем случае 6 степеней свободы. Рассмотрим на примерах причину появления погрешностей базирования.

[рисунки «а», «б»]

На рис. «а» представлена технологическая схема обработки шпоночного паза в валике 6, где требуется выдержать размер H. Обрабатывается партия заготовок диаметром D с допуском δ. Заготовка устанавливается в приспособлении, указанном на рис. «а», и в этом приспособлении заготовка 6 базируется по плоскости 4, и одновременно с этим базируется (центрируется или ориентируется) верхними полупризмами 2 и 3 по вертикальной оси. Но нам необходимо выдержать размер H с каким-то допуском δ. При схеме базирования по рис. «а» какую бы мы заготовку в пределах обрабатываемой партии ни ставили, размер H у нас остаётся постоянным при обработке (но только геометрически). В реальных условиях: получим рассеивание диаметра обработки по кривой наподобие Гаусса:

[рисунок]

Обеспечивая геометрическую точность размера H при обработке по схеме «а», мы вынуждены пользоваться крайне неудобным в эксплуатации приспособлением и вручную ориентировать вал 6 относительно полупризм 2 и 3.

На рис. «б» представлена схема обработки и установки той же заготовки в нормальную призму 5. Показано 2 положения заготовки 7: D_max, D_min. Фреза 1 (концевая, торцевая, шпоночная) обрабатывает так же, как на рис. «а», она выставляется на размер H, но вследствие базирования заготовки в призме 5 из-за изменения диаметра каждой последующей заготовки происходит смещение центра заготовок по вертикали. Разница между предельными положениями центра и будет погрешностью базирования. В данном случае:

Δ_б = H₁ – H₂

Диапазон рассеивания для рис. «б» будет несколько больше:

[рисунок]

т.к. на рис. «а» нет погрешности базирования.

Рассмотрим понятия различных баз.

[рисунки «в», «г», «д»]

Конструкторской базой называется поверхность, линия или точка, связанная координирующим размером с другой поверхностью, линией или точкой.

На рис. «в» представлены конструкторские базы в виде точек A и B, которые связаны координирующим размером m, а базой является точка B. Для точки B базой является точка A.

На рис. «г» точка O₁ (центр дуги AB) может быть базой для любой точки дуги AB и может быть базой для всей дуги AB. Дуга AB может быть базой для центра O₁, радиус R для всех перечисленных случаев является координирующим размером.

На рис. «д» показаны выдерживаемые размеры A, B, C, D, а также конструкционные базы для них: I, II, III, IV, V.

Технологическими базами детали называются поверхности, линии или точки, соприкасающиеся с опорными поверхностями, линиями или точками технологической оснастки, в которой осуществляется базирование и закрепление обрабатываемой детали (заготовки).

Исходная база – поверхность, линия или точка, от которой задана обрабатываемая поверхность.

Измерительная база – поверхность, линия или точка, от которой измеряется выдерживаемый или обрабатываемый размер.

По лишаемым степеням свободы в прямоугольной системе координат различают следующие базы:

1) установочная;

2) управляющая;

3) опорная.

Установочная база – база, лишающая заготовку или изделие 3 степеней свободы: перемещение вдоль одной координатной оси и поворота вокруг 2 других.

Направляющая база – база, лишающая заготовку 2 степеней свободы: перемещения вдоль одной координатной оси и поворота вокруг другой оси.

Опорная база – база, лишающая заготовку 1 степени свободы: перемещения вдоль одной координатной оси или поворота вокруг неё.

[рисунок…]

На данном рисунке показана практическая схема реализации базирования заготовки.

Рассмотрим теоретическую схему базирования обрабатываемой заготовки и методику определения погрешностей базирования.

[большой рисунок…]

Рассмотрим методику определения погрешностей базирования.

1) На основе рабочего чертежа изготовляемой детали, а также заготовки, имея в наличии операционно-маршрутную технологию и схемы построения станочной операции, мы для данной операции, исходя из технологического процесса, строим (определяем) технологическую схему обработки, как показано на рис. «а». В данном случае нам требуется обработать паз и выдержать 3 параметра: H_A^δ, H_C^δ, C^δ. Обработку будем вести на вертикальном фрезерном станке концевой торцевой фрезой. Без технологической схемы обработки нельзя построить теоретическую схему базирования. Имея представление о схеме обработки паза, мы выбираем теоретическую схему базирования. В общем случае под теоретической схемой базирования понимается изображение на операционном эскизе базирующих элементов, лишающих заготовку 6 степеней свободы (в общем случае).

В нашем случае для обеспечения базирования, т.е. лишения заготовки 6 степеней свободы, мы выбираем 3 основных технологических базы: установочную, направляющую, опорную. Выбираем в качестве установочной базы нижнюю плоскость, и этой плоскостью ставим заготовку на плоскость приспособления или стола. Установка на плоскость лишает заготовку 3 степеней свободы: 1, 2, 3. Опорные точки или базы изображаются в виде галочки: [галочка] или ромбика: [ромбик], и около знака ставится номер связи. Поставим направляющую линейку вдоль длинной стороны заготовки. Она лишает заготовку 2 степеней свободы: 4 и 5, т.е. лишаем возможности перемещения по одной координате и вращения по другой.

Поставим упор, который лишает заготовку 6-й степени свободы. Теперь рассмотрим базы:

I – технологическая база размера A. Вектор размера должен обязательно пересекать технологическую базу!

II – технологическая база размера B.

III – технологическая база размера C.

Определяем исходные базы для выдерживаемых параметров A, B, C.

2) Определяем базисный размер, допустимую погрешность базирования и погрешность базирования для данного [параметра?].

Базисным размером называется кратчайшее расстояние между исходной и технологической базами.

H_B = 0; H_A; H_C

Действительная погрешность базирования равна допуску на базисный размер.

Δб_{Aдейств.} = δ_Ha

Δб_{Bдейств.} = 0

Δб_{Cдейств.} = δ_Hc

Допустимая погрешность базирования равна допуску на обрабатываемую деталь минус средняя экономическая точность обработки данного параметра; ω берётся из таблиц, технологических справочников или рассчитывается.

Δб_доп. = δ – ω

После того, как определим допустимую и действительную погрешности базирования, проводится анализ: подходит ли выбранная теоретическая схема базирования с позиции точности для данной обработки или нет.

Если действительная погрешность базирования:

Δб_{действ.} ≤ Δб_доп.

меньше или равна допустимой схеме базирования, то данная схема базирования для данного параметра подходит. Если наоборот, то данная схема базирования не годится: она требует или замены, или изменения точности (допуска) на размеры, связанные с выдерживаемыми.

3) Определяем мероприятия, необходимые для уточнения схемы базирования для случая, когда Δб_{действ.} > Δб_доп..

Рассмотрим все возможные предложения относительно параметра A. В нашем случае для параметра A: Δб_{действ.A} > Δб_доп.A. Предложенная нами теоретическая схема базирования является основной для практической реализации этой схемы базирования. Для выбора конструкторских элементов приспособления заменяем опорные точки связи теоретической схемой базирования.

Для обеспечения условия Δб_{действ.A} ≤ Δб_доп.A мы меняем для размера A теоретическую схему базирования, и вместо базирования по нижней плоскости осуществляем базирование по верхней плоскости. В этом случае базисный размер H_A = 0, т.к. технологическая и исходная базы совпадают.

Меняем для размера A теоретическую схему базирования, и вместо базирования по нижней плоскости осуществляем базирование по верхней плоскости.

[рисунок]

В случае, если схему базирования изменить нельзя, уточняют (сужают или расширяют) допуск на выдерживаемый параметр, базисный размер или другой размер, связанный размерной цепью с выдерживаемым размером.

II.2 Точность обработки. Критерии точности. Методы обеспечения заданной точности

II.2.1 Критерии точности. Методы обеспечения заданной точности

В общем случае под точностью понимается степень соответствия изготовленной детали линейным размерам, форме, взаимному расположению поверхностей, шероховатости, физико-механическим свойствам поверхностного слоя и внутренних слоёв заготовки чертежу детали, а также данным условиям чертежа детали, которые разработал конструктор.

Точность является одним из важнейших показателей качества деталей. Различают 3 критерия точности:

1) Т_З – заданная точность;

2) Т_Д – действительная точность;

3) Т_О – ожидаемая точность.

Т_З = δ (не выдерживаемый параметр; задаётся конструктором, определяется по рабочему чертежу)

Т_З = Δд (действительному диапазону рассеивания параметров при обработке партии деталей на настроенном станке.) Диапазон рассеивания Δд является фактически технологическим допуском на партию изготовленных деталей.

[рисунок]

Т_З = Δо (равна ожидаемому рассеиванию при обработке данной партии деталей)

Рассмотрим основные методы обеспечения заданной точности. Их существует два:

1) метод пробных ходов и промеров;

2) метод автоматического получения заданных параметров.

Рассмотрим метод пробных ходов и промеров на пример токарной обработки.

[рисунок]

На токарном станке обрабатывается ступенчатый валик, обработка ведётся токарным проходным резцом. На рисунке представлена теоретическая схема базирования обрабатываемого валика на токарном станке. В данном случае обрабатывается короткий жёсткий валик с отношением длины и диаметра меньше 1,5. D_v – движение вращения, v – скорость резания, D_s – движение подачи, s – подача. Для коротких валиков наша заготовка устанавливается в трёхкулачковом патроне с упором в торец. Это практическая реализация схемы базирования, а теоретическая реализация базирования, представленная на рисунке, лишает заготовку 3 степеней свободы: 1, 2, 3, и одновременно базой для них является ось заготовки и двойная опорная база 4, 5, связанная с осью.

При способе пробных ходов и промеров квалифицированный(!) рабочий подводит резец к вращающейся заготовке и вершиной резца касается этой заготовки. Затем по отсчётным устройствам станка определяют размер и подают резец в радиальном направлении, как показано на рисунке. После этого включают подачу или вручную снимают 1-й слой заготовки на длину l. Измеряют диаметр заготовки: он не равен заданному размеру. После измерения рабочий подаёт дальше резец в радиальном направлении и снимает 2-й слой, затем снова измеряет. Если размер не получился, то процесс повторяется, и так до тех пор, пока не получится заданный размер.

Преимущества способа:

1) можно на неточном оборудовании получить точную деталь;

2) относительная простота процесса достижения заданной точности.

Недостатки:

1) низкая производительность;

2) требуются рабочие высокой квалификации;

3) точность обработки ограничивается допустимой минимальной величиной слоя, который может снять резец (инструмент) за 1 ход. Минимальная величина, снимаемая остро заточенным доведённым резцом равна 0,05 мм и более.

Рассмотрим метод автоматического получения заданных параметров.

[рисунок]

Для обеспечения данного метода необходимо произвести методы автоматизации цикла. Для этого станок снабжается радиальным и продольным упорами. Радиальный устанавливается на выдерживаемый размер l. В этом случае студент подводит суппорт до радиального упора, включая продольную подачу, и, дойдя до радиального упора, станок автоматически останавливается. Деталь готова.

Преимущества:

1) высокая производительность;

2) не требуются рабочие высокой квалификации;

3) снижение себестоимости с увеличением размера обрабатываемой партии.

Недостатки:

1) увеличении расходов на автоматизацию станка;

2) необходимость иметь наладчика оборудования.

II.2.2 Условия обеспечения заданной точности

Существует 2 условия обеспечения заданной точности, которые напрямую связаны с допуском, заданным конструктором, диапазоном рассеивания заданного параметра и положением среднеарифметического параметра относительно поля допуска.

Для определения условий берём числовую ось, откладываем размеры (текущие), допуск и предварительные размеры: L_min.зад., L_max.зад..

[рисунок «а»]

[рисунок «б»]

На рис. «б» показана схема токарной обработки валика 1 диаметра L, обработка ведётся токарно-проходным резцом 2, установленным на суппорте 3, A – вершина резца. Через точку A проведена ось, касательная к образующей поверхности. Она является центром группирования размеров. Относительно точки A, которая определяет настроечный размер станка, происходит разброс параметров в пределах партии обрабатываемых деталей. Δд – действительный диапазон разброса параметров в партии. Таким образом, при обработке вершина режущих кромок инструментов, которые формообразуют поверхность, являются центром группирования параметров, как показано на рис. «б» для токарной обработки. Перед началом обработки станок настраивается на заданный размер наладчиком.

[рисунок «в»]

Желательно настраивать в пределах середины поля допуска: I – первая настройка станка. В результате обработки партии деталей мы получим кривую рассеивания действительных размеров в партии. В данном случае – кривая нормального распределения, наиболее широко проявляющаяся в таких процессах. Здесь L_max.д1, L_min.д1 – максимальный и минимальный действительные размеры деталей из партии, которую обработали. В данном случае действительный диапазон рассеивания Δд₁ является технологическим допуском на партию изготовляемых деталей. Расположение закона Гаусса на числовой оси говорит о том, что данный технологический процесс токарной обработки (токарной операции) является точным, т.к. все изготовляемые детали располагаются внутри поля допуска, заданного конструктором. Отсюда вытекает 1-е условие – условие точности технологического процесса: Δд ≤ δдействительный диапазон рассеивания должен быть меньше или равен допуску на выдерживаемый параметр. Это – условие точности технологического процесса или операции.

В процессе обработки партии деталей мы ещё не успели обработать всю партию, но нам требуется из-за износа резца (либо по какой-то другой причине) сменить инструмент и заново поднастроить станок. Рабочий выставил резец, и в результате последующей обработки партии деталей кривая рассеивания σ₂ оказалась сдвинутой вправо, и часть размеров распределилась иным образом: часть кривой вышла за пределы поля допуска => детали под этой частью кривой – брак.

Вопрос: при 2-й настройке (поднастройке) получился точный процесс или нет?

Ответ: процесс неточный.

Что необходимо сделать? Для получения точного процесса (для исключения брака, как показано на рисунке) необходимо сдвинуть кривую рассеивания влево минимум на величину: L_max.д2 - L_max.з, или сдвинуть дальше влево на несколько бОльшую величину с таким расчётом, чтобы кривая рассеивания снова вошла в пределы поля допуска. Исходя из сказанного, необходимо вывести 2-е условие обеспечения заданной точности – условие точности настройки станка, которое гласит, что любой текущий параметр при изготовлении детали должен находиться в пределах минимального и максимального заданного конструктором параметров.

В реальных условиях, когда ведётся какая-то обработка, и ещё не известна ни точность процесса изготовления, ни точность самого станка, ни точность настройки, может случиться, что при обработке партии деталей получили (рис. «в») брак₃ слева и справа. В случае, если закон рассеивания параметров будет иметь вид σ₃,то у нас получится брак в пределах максимально допустимого параметра и брак в пределах минимально допустимого параметра, заданного конструктором. Если при 2-й настройке (σ₂) брак был исправимый, то при 3-м случае брак неисправимый: всё равно будет брак, в какую бы сторону ни поднастраивали станок. Вывод: необходимо взять более точное оборудование (станок), которое обеспечит действительный диапазон рассеивания Δд меньше допуска на выдерживаемый параметр, заданный конструктором.

II.3 Качество поверхностей

Под качеством поверхностей понимается физико-механическое и геометрическое состояние поверхностного слоя обрабатываемой заготовки.

А. Рассмотрим качество поверхностей с физико-механической точки зрения.

В процессе резания под действием силы резания происходит пластическая деформация обрабатываемой поверхности (её упрочнение). В результате на поверхности появляется упрочнённый слой, толщина которого зависит от способа обработки (так, например, при фрезеровании толщина упрочнённого слоя может достигать 200 мкм, при токарной обработке – около 150 мкм, при шлифовании – 5…10 мкм). Упрочнённый слой может быть полезным или вредным. Во многих случаях процесс упрочнения поверхностей используется для улучшения износостойкости поверхностей изделия.

Помимо пластической деформации поверхностей, в процессе резания поверхностный слой подвергается термическому воздействию. Так, например, при токарной обработке в процессе резания может развиваться температура порядка 600…800 ⁰C, при этом сходит красная раскалённая стружка. Поэтому процесс резания осуществляется с применением смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ), которая охлаждает изделие и одновременно уменьшает трение между инструментом и заготовкой.

Особенно неприятным является явление прижога, которое возникает обычно в процессе шлифования. При шлифовании очень плохо отводится тепло, поэтому температура в зоне шлифования достигает 1000 ⁰C и выше. При этой температуре тончайшие поверхностные слои как бы прижигаются, и в процессе эксплуатации в результате воздействия сопряжённой детали на данную деталь происходит образование микрочешуек, которые отделяются от заготовки. Это приводит к очень серьёзному браку. Если это тела вращения (опора скольжения, опора качения…), то это приводит к заклиниванию опор.

Б. Рассмотрим качество поверхностей с геометрической точки зрения.

С геометрической точки зрения качество поверхности характеризуется:

а) макронеровностями;

б) волнистостью;

в) микронеровностями (шероховатостями).

[рисунок «а»]

Под макронеровностями понимаются неровности с очень большим отношением длины волны к высоте неровности: L/H > 1000. Сюда относится, например, конусность (рис. «а»): в данном случае это – втулка с центральным коническим отверстием, втулка имеет макропогрешности из-за конусности.

В общем случае применительно к областям вращения (наружным и внутренним) различают 2 группы макропогрешностей: макропогрешности в радиальном направлении (1-я группа) и 2-я группа – макропогрешности в продольном направлении.

[рисунки «б»… «ж»]

Макропогрешности в радиальном направлении – это: овальность (рис. «б») и огранка (рис. «в»). Погрешности в продольном направлении: конусность (рис. «г»), бочкообразность (рис. «д»), консертность (рис. «е»), изогнутость (рис. «ж»).

Волнистость поверхности, показанная на рис. «а», связана с процессом резания, определяется стабильность и нестабильностью (неравномерностью) движения исполнительных элементов станка. Волнистость характеризуется отношением L_в/H_в от 50 до 1000. Микронеровности (шероховатость) характеризуются отношением L_в/H_в < 50. Причина неровности (шероховатости) – след от резца.

Под микронеровностями понимается чередование выступов и впадин, отнесённых к 1 мм² сечения. На чертежах шероховатость обозначается:

[рисунок]

Обозначения 1, 2, 3, 4 указываются конструктором. На практике на чертежах шероховатость может быть изображена в следующих вариантах:

[рисунок]

а – конструктором вид обработки не устанавливается (указывается безграмотным конструктором J);

б – указывается, когда шероховатость поверхности должна быть образована удалением слоя материала (точение, фрезерование, сверление, полирование, травление и т.д.);

в – применяется в обозначении шероховатости поверхности, которая должна быть образована без удаления слоя материала.