Методы определения жесткости станков

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Воткинский филиал

федерального государственного бюджетного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова»

Кафедра ТМ и П

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине “ Основы технологии машиностроения ”

тема: “Методы определения жесткости станков”

Выполнил: студент гр. ВЗ-711 (4,6) Кривошеин М.М. Проверил: профессор Юсупов Г.Х.

г. Воткинск

2012

Содержание

статистический жесткость станок производственный

Введение

Общие положения

Статистический метод определения жесткости станка

Производственный метод определения жесткости станка

Методы повышения жесткости технологической системы

Заключение

Литература

Введение

В процессе изготовления изделий в современном машиностроении обработка металлов и других конструкционных материалов резанием играет особую роль. Именно обработка резанием позволяет придать заготовкам деталей машин и приборов, полученным литьем, прокаткой, штамповкой, ковкой и др. методами, требуемую форму, точные размеры и заданное качество поверхности.

Станки - основа любого производства. Поэтому жесткость станков играет большую роль в современном машиностроении. Лишь с помощью качественных станков можно сделать производство технологичным и высоко производительным.

Общие положения

При обработке на металлорежущих станках силы резания, зажатия, инерционные силы и другие воздействуют на детали станка, обрабатываемую деталь и режущий инструмент, т.е. на систему СПИД (станок, приспособление, инструмент, обрабатываемая деталь), вследствие чего происходит их деформация, изменение величины стыковых зазоров, изменение положения режущей кромки инструмента относительно обрабатываемой детали (отжим).

Размеры обрабатываемой детали изменяются, появляются отклонения от правильной геометрической формы (конусность, овальность и т.п.). Таким образом, деформация, возникающая в технологически упругой системе СПИД под влиянием воздействия действующих в системе сил, является одним из источников погрешности обработки.

Способность упругой системы оказывать сопротивление действию сил, стремящихся ее деформировать, характеризует ее жесткость.

Погрешности, возникающие в результате упругих деформаций СПИД, могут достигать 20-80% от суммарной погрешности ее обработки.

С жесткостью системы СПИД связано и явление вибрации. Системы, обладающие большей жесткостью, могут работать с более высокими режимами резания без появления вибрации, что обеспечивает их большую производительность.

Жесткость упругой системы СПИД выражается отношением радиальной составляющей силы резания, направленной по нормали к обрабатываемой поверхности, к смещению режущей кромки инструмента относительно детали, отсчитываемому в том же направлении, при действии всех составляющих сил резания.

где j с - жесткость системы;

Pу - радиальная составляющая силы резания;

У - смещение режущей кромки инструмента (деформация упругой системы).

Аналогично выражается жесткость отдельных элементов технологической упругой системы - для суппорта ( j СУП), передней бабки ( j П.Б.), задней бабки ( j З.Б.), обрабатываемой детали ( j О.Д.) и т.д.

Величина, обратная жесткости, называется податливостью упругой системы (W ).

Существует несколько методов определения жесткости металлорежущих станков или их отдельных узлов:

Статистический метод определения жесткости станка

Статический метод заключается в постепенном нагружении узлов станка силами, воспринимающими действие силы резания с одновременным измерением возникающих при этом деформаций.

Перемещения узлов станка измеряются в направлении действия силы PY, нормальной к обрабатываемой детали, т.к. эти перемещения имеют основное значение, хотя на деформацию системы в этом направлении оказывают некоторое влияние и составляющие PX и PZ.

Деформацию измеряют индикаторными приборами.

Определенный при этом коэффициент жесткости может приближенно характеризовать упругие свойства системы СПИД, но не отражает действительных условий работы станка.

Производственный метод определения жесткости станка

При определении жесткости системы СПИД в производственных условиях узлы станка нагружают ступенчато с постоянно возрастающей нагрузкой с одновременным измерением величины перемещения узлов станка в направлении, нормальном к обрабатываемой поверхности. При производственном методе испытания жесткости заготовка обрабатывается с переменной глубиной резания, для этого удобно использовать заготовку с наличием эксцентриситета. Глубина резания за половину оборота заготовки изменяется при этом от . tmin до tmax.

На рис.1 приведена схема оправки для определения жесткости токарного станка производственным методом.

По полученным результатам испытания строят диаграммы нагрузка - перемещение (рис.2), откладывая по оси ординат значение нагрузки РУ, а по оси абсцисс величины перемещения У; при этом разгрузочные данные не будут совпадать с нагрузочными. Отрезок У0 характеризует остаточную деформацию. Площадь петли гистерезиса характеризует величину энергии, затраченной на преодоление трения за один полный цикл.

Рисунок 1 Оправка для определения жесткости токарного станка производственным методом

Для определения средней жесткости нагрузочную ветвь графика спрямляют, т.е. опытную ломаную линию аппроксимируют линейной зависимостью вида

РУ = А0 + А1·У,

где А0 и А1 - постоянные коэффициенты, подлежащие определению.

Для определения коэффициентов А0 и А1 этого уравнения можно применить метод наименьших квадратов.

Величина упругих перемещений системы УС при обработке детали на токарном станке зависит от перемещений узлов УСТ станка, режущего инструмента УИН и обрабатываемой детали УД, т.е.

УС = УСТ + УИН + УД,

Откуда жесткость системы

Рисунок 2 График «нагрузка - перемещение»

Так как жесткость инструмента в радиальном направлении велика по сравнению с жесткостью станка и обрабатываемой детали, то ее деформацию можно не учитывать при расчетах. Если при проведении испытания использовать заготовку, жесткость которой значительно превышает жесткость станка, то деформацию заготовки можно исключить из расчета

Радиальная составляющая силы резания может быть выражена через тангенциальную составляющую силы резания P Z , тогда

P у = л PZ (кг), 

где л - коэффициент, характеризующий отношение Pу / P Z = 0,4 и зависящий от геометрии резца, состояния режущей кромки и механических свойств обрабатываемого материала.

Определяя P Z по формуле Челюсткина, получаем

P Z = C t s 0,75 (кг),

где С - коэффициент, зависящий от механических свойств обрабатываемого материала и угла резания, численно равный значению P Z при подаче s =1 мм/об.

P у = л C t s 0,75 (кг); j = P У / У (кг/мм).

Тогда .

Как уже отмечалось, при обработке эксцентричной заготовки глубина резания изменяется от tmin до tmax и соответственно изменению глубины резания изменяются и отжатия узлов станка от ymin до ymax .

Так как tmax - tmin = ДЗ - биение заготовки до обработки, а Уmax - Уmin = ДД - биение заготовки после обработки, то, подставляя эти значения, получим формулу для определения жесткости в окончательном виде.

Отношение принято называть уточнением е, тогда j СТ = л C s0,75 е .

Таким образом, определение жесткости токарного станка производственным методом путем обработки эксцентричной заготовки практически сводится к измерению биения заготовки до и после ее обработки.

Подачу s и скорость резания v при опытах следует принимать такими, чтобы после проточки заготовки получить сравнительно чистую поверхность, обеспечивающую более точное измерение биения.

Используя метод обработки эксцентричного кольца можно определить жесткость станка при максимальном биении заготовки и построить график «нагрузка - перемещение». График характеризует упругие деформации узлов станка не в статическом состоянии, а в процессе обработки заготовки. Величина биения заготовки по окружности характеризует величину силы резания, а величина соответствующих упругих деформаций узлов станка - биение детали после обработки Дд.

Значение нормальной составляющей силы резания, соответствующее каждому положению заготовки, можно определить по формуле

где Дз - биение заготовки в данном угловом положении.

Таким образом, если измерить биение заготовки в нескольких точках по окружности и в этих же точках измерить биение после обработки, то можно построить обе ветви графика «нагрузка - перемещение» (нагрузочную и разгрузочную).

Жесткость горизонтально-фрезерного станка определяется жесткостью шпинделя, подвески и стола с консолью.

При работе прямозубыми цилиндрическими фрезами узлы станка и оправка нагружаются двумя составляющими силы резания PY и P Z. Поэтому для упрощения опытов часто определяют не жесткость, а коэффициент жесткости, т.е. нагружают станок силой, совпадающей по направлению с составляющей силы резания P у и измеряют перемещения узлов станка в том же направлении. Суммарный коэффициент податливости системы станок - инструмент (с учетом оправки) можно подсчитать по формуле

а коэффициент податливости станка по формуле

где Wсист - суммарный коэффициент податливости системы станок - оправка;

W ст - коэффициент податливости станка;

W с.к - коэффициент податливости стола и консоли;

W п - коэффициент податливости подвески;

W шп - коэффициент податливости шпинделя;

W оп - коэффициент податливости оправки;

l - рабочая длина оправки (от шпинделя до опоры), мм;

x - расстояние от шпинделя до середины фрезы, мм.

При приложении нагрузки в середине длины оправки (на месте закрепления фрезы) формула для расчета коэффициента податливости станка упрощается и принимает вид

откуда коэффициент жесткости станка

Суммарный коэффициент жесткости системы горизонталью фрезерного станка можно определить и непосредственно, если при нагружении измерить перемещение инструмента (оправки) относительно изделия (стола) в направлении оси Y.

Методы повышения жесткости технологической системы

1. Создание жесткой конструкции и изменение размеров элементов технологической системы. Жесткость и податливость металлорежущих станков в значительной мере зависят от их конструкции и типоразмеров. Жесткость отдельных звеньев технологической системы можно повысить за счет уменьшения длины вылетов валов, увеличения их диаметров.

2. Сокращение общего числа звеньев технологической системы. Податливость технологической системы определяется суммой податливостей входящих в нее звеньев, поэтому уменьшение числа звеньев снижает податливость и повышает жесткость системы. Сокращать следует не только число звеньев технологической системы, но и количество отдельных элементов системы (промежуточных приспособлений и державок), а также деталей станков и приспособлений. Уменьшение числа деталей достигается путем замены нескольких мелких деталей одной сложной и массивной деталью, созданием конструкции станков, у которых корпуса шпиндельных бабок отливаются вместе со станиной и другими способами.

3. Повышение качества механической обработки деталей (особенно поверхностей стыков). При соприкосновении отдельных поверхностей деталей во время сборки их контакт происходит не по всей поверхности, а только по отдельным выступам, размеры которых определяются шероховатостью и волнистостью поверхностей. При увеличении внешней нагрузки происходят деформация соприкасающихся выступов и постепенное разрастание фактической поверхности контакта. Величина сближения двух поверхностей пиков при воздействии определенной внешней нагрузки характеризует жесткость стыков. С уменьшением шероховатости и волнистости поверхностей жесткость стыков возрастает. Жесткость поверхности стыков зависит не только от се шероховатости и волнистости, но и от механических свойств материалов соприкасающихся деталей и степени упрочнения (наклепа) металла поверхностных слоев. Для повышения жесткости стыков целесообразно применять методы обработки пластическим деформированием (накатка роликами и шариками), снижающие шероховатости и значительно увеличивающие микротвердость обработанных поверхностей.

4. Повышение качества сборки. Жесткость изделий значительно меняется в зависимости от качества сборки, тщательности пригонки сопрягаемых поверхностей, величины зазоров в соединениях и предварительных натягов. Для получения высокой жесткости машин при их сборке необходимо создать определенные предварительные натяги. В неподвижных соединениях после приложения нагрузки натяг должен обеспечивать удельное давление не ниже 1,47 МПа, а в подвижных соединениях - от 0,1 до 0,2 МПа.

5. Правильный режим эксплуатации станков. Жесткость элементов технологической системы является переменной величиной, зависящей от ряда факторов (рабочей температуры, количества и состояния смазки, характера приложения нагрузки и др.), связанных с условиями ее эксплуатации. Для получения наивысшей точности обработки требуются совершенно стабильные условия эксплуатации, при которых жесткость технологической системы остается постоянной и достигает наибольшей величины. С этой целью перед началом точной обработки производят предварительный прогрев всех элементов технологической системы на холостом ходу, обеспечивают непрерывную и равномерную подачу смазки в трущиеся части, постоянство зажимных усилий всех механизмов и узлов системы и др.

6. Систематический надзор за оборудованием в процессе его эксплуатации с периодической проверкой жесткости всех элементов технологической системы. Жесткость технологической системы, в частности станков, в процессе эксплуатации уменьшается в результате воздействия различных производственных причин, вызывающих износ и разрегулировку элементов системы. За счет шабрения трущихся поверхностей и поверхностей стыков, регулировки соединений, устранения зазоров можно

Заключение

Статистический метод определения жесткости станков сложен и трудоемок. Кроме того жесткость станка, определяемого находится в статистическом состоянии и лишь приблизительно характеризует упругие перемещения станка в процессе работы.

Производственный метод определения жесткости станков имеет преимущество в том, что можно наглядно зафиксировать деформацию станка или какого либо узла во время резания заготовки.

Литература

1. А.Г. Косилова «Справочник технолога машиностроителя ».

2 vstu.edu.ru

3 delta-grup.ru

Размещено на Allbest.ru