Теоретические основы технологии машиностроения

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Москва 1996

ВВЕДЕНИЕ

При изготовлении любой детали существует определенная последовательность действий, позволяющая получить готовое изделие в заданные сроки и с наименьшими затратами. На разных предприятиях в разных странах детали одного наименования изготавливают практически в одной и той же последовательности, на аналогичном оборудовании с использованием одинаковых инструментов.

Первые технологии появились много сотен лет назад, когда от поколения к поколению передавались знания о способах изготовления тех или иных изделий и инструментах, применяемых при этом. Часть этих знаний по тем или иным причинам оказалась потерянной для человечества, большая же часть получила дальнейшее развитие и дополнилась новыми знаниями. В начале XX века опыт изготовления деталей и машин был систематизирован и стал постепенно дополняться научными разработками учёных на основе развития фундаментальных наук. Были введены стандарты и другие нормативные материалы, разработаны научные принципы построения технологических процессов и их типизации, предложена теория базирования заготовок при их обработке, измерении и сборке, разработаны методы расчета припусков на обработку, погрешностей обработки заготовок и проведены исследования точности обработки на станках. Далее был получен опыт построения автоматизированного производства с использованием методов скоростной обработки материалов.

В России в развитие технологии машиностроения большой вклад внесли учёные: Б. С. Балакшин, Ф.С. Демьянюк, А. И. Каширин, И.М. Колосов, B.C. Корсаков, В.А. Кудинов, А.А. Маталин, С.П. Митрофанов, Э.В. Рыжов, М.П. Новиков, С.С. Силин, А.П. Соколовский, Э.А. Сатель, Ю.М. Соломенцев, А.Б. Яхин и др.

В настоящее время технология машиностроения является наукой, которая изучает способы изготовления машин требуемого качества в установленном программой количестве в заданные сроки и с наименьшими затратами.

В технологии машиностроения для решения теоретических проблем и практических задач используются различные разделы математики, физики, химии, теоретической механики, материаловедения, кристаллографии и других наук. К теоретическим основам технологии машиностроения как науки следует отнести учения о типизации технологических процессов и групповой обработке, о жёсткости технологической системы, о точности процессов обработки, рассеянии размеров обрабатываемых заготовок, о влиянии механической обработки на эксплуатационные свойства деталей машин, о припусках на обработку, о погрешностях технологической оснастки и оборудования, о путях повышения производительности и экономичности технологических процессов, о базировании заготовок и другие теоретические разделы.

Важнейшими современными направлениями развития технологии машиностроения являются методы оптимизации технологических процессов по достигаемой точности, производительности и экономичности изготовления при обеспечении высоких эксплуатационных свойств и надёжности работы, разработка систем автоматизированного управления ходом технологических процессов, в том числе и сборочных операций, создание гибких автоматизированных производственных систем на основе использования вычислительной техники, автоматизации межоперационного транспорта и систем контроля, разработка малоотходных, ре сур со сберегающих технологий.

Изучение технологии машиностроения невозможно без хорошего знания таких дисциплин, как теория резания, металлорежущие станки, материаловедение, детали машин, основы технических измерений, черчение.

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Машиностроительные предприятия предназначены для производства различных изделий: станков, двигателей, подшипников, инструментов и т.д.

В зависимости от назначения изделия делятся на изделия основного и вспомогательного производства. Изделия основного производства предназначены для поставки заказчику вне данного предприятия. Изделия вспомогательного производства предназначены только для собственных нужд предприятия, которое их изготавливает.

Так, например, машиностроительное предприятие выпускает авиационные двигатели, которые предназначены для авиационного завода. В этом случае двигатели являются изделиями основного производства. Но на машиностроительном предприятии существует инструментальный цех для изготовления специального инструмента (протяжки для изготовления замка лопаток турбин, метчики для нарезания резьбы в глубоких отверстиях с направляющей частью, фасонные фрезы и т.д.), который необходим при изготовлении авиационных двигателей самому предприятию. В этом случае инструмент является изделием вспомогательного производства и предназначен только для нужд данного предприятия.

Все изделия состоят из отдельных деталей, которые соединены между собой.

Деталь - это изделие, которое изготовлено из однородного по наименованию и марке материала без применения сборочных операций. Деталями являются валы, втулки, зубчатые колёса, фланцы, рычаги, крестовины, поршни и др. Если внимательно рассматривать всё многообразие существующих деталей, то можно выделить целые группы (классы) деталей, которые имеют общий порядок обработки.

Существуют различные классификации деталей. Так по технологической классификации, предложенной А.Я. Малкиным все детали можно разбить на пять классов:

I класс - детали вращения без отверстия по основной оси симметрии с отношением их длины к диаметру от 2 до 20 - детали типа валов.

Примеры конструкций деталей 1-го класса представлены на рис. I.

2 класс - детали являющиеся телами вращения, имеющие сквозное отверстие по основной оси симметрии (всевозможные втулки, трубы, диски, кольца и т.д.). Примеры конструкций деталей 2-го класса представлены на рис.2.

3 класс - детали с параллельными плоскостями, имеющие в них два отверстия с параллельными осями или одно отверстие и точный наружный контур. Оси отверстий лежат в одной плоскости (шатуны, рычаги, скобы, крышки и т.д.). Примеры конструкций деталей 3-го класса представлены на рис. 3.

Рис.1. Примеры конструкций деталей 1-го класса.

4 класс - коробчатообразные детали (корпуса, ёмкости, коробки, баки и т.д.). Примеры конструкции деталей 4 класса представлены на рис. 4.

5 класс - сложные детали, имеющие несколько осей симметрии (крестовины, поршни, корпуса дифференциалов и т.д.). Пример конструкции деталей 5 класса представлены на рис. 5.

Рис.2. Примеры конструкций деталей 2-го класса.

Рис.3. Примеры конструкций деталей 3-го класса.



Рис.4. Примеры конструкций деталей 4-го класса.

В соответствии с ЕСКД на все детали машиностроения и приборостроения установлены шесть классов со следующей номенклатурой:

класс 71 - тела вращения типа колес, дисков, шкивов, колец, блоков, втулок, стержней, стаканов, колонок, валов, штоков и др. В этом классе все детали еще делятся между собой на три диапазона по соотношению длины детали к наибольшему наружному диаметру.

класс 72 - тела вращения с элементами зубчатого зацепления: трубы, шланги, сегменты и т.п.

Рис.5. Примеры конструкций деталей 5-го класса.

класс 73 - детали корпусные, опорные, ёмкостные.

класс 74 - детали, не являющиеся телами вращения: плоскостные, рычажные, грузовые, тяговые и т.п.

класс 75 - детали кулачковые, карданные, пружинные, крепежные, рукоятки и т.п.

класс 76 - детали технологической оснастки, которые выполняют самостоятельные функции (режущие пластины, свёрла, метчики, матрицы, пуансоны и т.д.).

Существуют и другие классификации деталей.

Сборочная единица (узел) - это часть изделия, которая собирается отдельно и в последующем процессе сборки участвует как одно целое. Сборочными единицами могут являться коробка скоростей, двигатель, коробка передач, ротор турбины, шпиндельный узел и др.

Агрегат - это сборочная единица, которая может выполнять определенную функцию в изделии или самостоятельно. Изделие, которое изготовлено по агрегатному принципу, имеет множество положительных качеств в изготовлении, эксплуатации и ремонте. Цикл сборки такого изделия значительно сокращается. В любой момент любой из агрегатов может быть заменен на новый, а ремонт отказавшего агрегата производится вне машины. По агрегатному принципу в настоящее время выполняется множество изделий.

Существуют несколько параметров, которые характеризуют потребительские свойства изделия.

Качество - это совокупность свойств, позволяющих удовлетворять определенным потребностям в соответствии с назначением изделия. Качество - это комплексный показатель, который зависит от точности, мощности, производительности, экономичности, коэффициента полезного действия изделия, степени его автоматизации.

Работоспособность - состояние изделия, при котором оно способно выполнять заданные функции в пределах определенных параметров.

Надежность - это свойство изделия сохранять во времени свою работоспособность. Надежность изделия включает в себя понятия безотказности и долговечности.

Безотказность - свойство, изделия сохранять свою работоспособность в течение заданного периода времени, без каких-либо регулировок, ремонта и т.д.

Долговечность - это период времени, в течение которого изделие сохраняет свою работоспособность до наступления предельного состояния, после которого эксплуатация изделия прекращается.

Основными понятиями, связанными с технологической подготовкой производства являются:

Производственный процесс - совокупность всех действий, производимых на данном предприятии и связанных с изготовлением и ремонтом выпускаемых изделий. Производственный процесс включает изготовление и сборку изделий, их хранение, консервацию, охрану, транспортировку, контроль, конструкторскую и технологическую подготовку производства и календарное планирование.

Технологический процесс - это часть производственного процесса, включающая в себя только этапы механической обработки, связанные с изменением размеров, формы и внешнего вида предметов производства, а также физико-механических свойств.

Технологическая операция - это часть технологического процесса, которая выполняется непрерывно на одном рабочем месте над одним или несколькими одновременно обрабатываемыми или собираемыми изделиями. Технологическая операция является основной единицей для осуществления планирования и учёта.

Применительно к условиям автоматизированного производства технологическая операция - это законченная часть технологического процесса, выполняемая непрерывно на автоматической линии, состоящей из нескольких станков, связанных автоматически действующими транспортно-загрузочными устройствами.

Установ - часть технологической операции, выполняемая при постоянном закреплении обрабатываемых заготовок.

Технологический переход - законченная часть технологической операции, которая характеризуется постоянством применяемого инструмента и поверхностей, образуемых обработкой, без изменения или с автоматическим изменением режимов работы станка.

Позиция - фиксированное положение заготовки относительно инструмента для выполнения определенной части операции.

Рабочий ход - законченная часть технологического перехода, состоящая из однократного перемещения инструмента относительно заготовки, сопровождаемого изменением формы, размеров, качества поверхности и свойств заготовки.

Вспомогательный ход - это законченная часть технологического перехода, состоящая из однократного перемещения инструмента относительно заготовки, не сопровождаемого изменением формы, качества поверхности или свойств заготовки, но необходимого для подготовки рабочего хода.

Приём - законченная совокупность действий человека, выполняемых при осуществлении перехода или его части и объединенных одним целевым назначением.

2. ПОНЯТИЯ О ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ КОНСТРУКЦИИ ИЗДЕЛИЙ

Технологичность конструкции изделий - это совокупность признаков, обеспечивающих оптимальные затраты при производстве, эксплуатации и ремонте при заданных показателях качества, объёмах выпуска и условиях выполнения работ.

Другими словами изделие технологично, если оно просто в изготовлении, удобно при эксплуатации и ремонте.

Технологичность - понятие относительное, она зависит от масштаба и типа производства. Так, например при больших годовых программах выпуска изделий будут технологичны заготовки, трудоемкость и себестоимость которых ниже, а, размеры максимально приближены к размерам готового изделия. Такие заготовки могут быть получены литьём в кокиль. При малых годовых программах производства заготовки целесообразнее изготавливать в песчаных формах. То есть каждый тип производства при изготовлении одного и того же изделия предъявляет различные требования по технологичности.

Различают производственную, эксплуатационную и ремонтную технологичности.

Производственная технологичность заключается в сокращении средств и времени на конструкторскую подготовку производства, технологическую подготовку производства, изготовление, контроль, монтаж и испытание изделий.

Эксплуатационная технологичность заключается в сокращении средств и времени на подготовку к использованию изделий, технологическое и техническое обслуживание, текущий ремонт и утилизацию.

Ремонтная технологичность заключается в сокращении средств и времени на все виды ремонта.

Основными факторами, которые определяют требования к технологичности являются:

размеры, форма и вид изделия;

объем выпуска и тип производства.

Вид заготовки в значительной степени определяет технологический процесс механической обработки изделия и её трудоёмкость. Рациональный способ получения заготовки выбирают в зависимости от объема выпуска и типа производства. Заготовка по форме и размерам должна, приближаться к форме и размерам готовой детали. Это позволяет упростить механическую обработку, снизив при этом трудоёмкость и себестоимость изготовления детали.

Необходимо по возможности упростить конструкцию изделия, не завышать точность и шероховатость обрабатываемых поверхностей. Увеличение необоснованных требований существенно влияет на трудоёмкость и технологическую себестоимость.

На рис. 6 а, б, в показаны примеры сопряжения втулки с корпусом. На рис. 6 а показано нерациональное решение, когда вся поверхность втулки и отверстия корпуса должны быть обработаны с высокой точностью, для того, чтобы обеспечить требуемую по чертежу посадку. На рис. 6 в размеры сопрягаемых поверхностей сведены до минимума, что значительно упрощает механическую обработку.

Сокращение объема механической обработки достигается также за счет упрощения конструкции детали, что позволяет использовать стандартные виды заготовок. Так, например, на рис. 6 г, д показаны примеры выполнения крепежных деталей. В первом случае величина механической обработки значительна, но при изменении конструкции без нарушения свойств крепежной детали появляется возможность использования в качестве заготовки калиброванного проката с сохранением большей части необработанной поверхности.

Если в конструкции изделия предусмотрены отверстия, то необходимо учитывать следующее:

отверстия по возможности должны быть сквозные;

если конструкция детали не позволяет иметь сквозные отверстия, то после обработки они должны быть закрыты пробками;

производительность обработки отверстий в значительной степени определяется условиями врезания и выхода инструмента в процессе резания;

соосные отверстия, расположенные на двух и более параллельных

осях, будут более технологичны, если их диаметры будут уменьшаться постепенно.

На рис. 6 е, ж показаны примеры обработки соосных отверстий. Во втором случае крайнее отверстие, служащее для упрощения обработки, закрывается крышкой.

Для повышения технологичности следует использовать составные конструкции, которые применяют при небольшом масштабе выпуска, когда изготовление штампов или литейных форм экономически не оправдано о Составные конструкции упрощают механическую обработку и позволяют снижать отходы металла в стружку.

На рис.6 з, и показаны примеры составной конструкции. В случае, показанном на рис. 6 и нарезание резьбы на втулке возможно выполнить на станке, когда как в первом случае - только вручную, что неприемлемо для массового производства.

Обработка напроход не всегда осуществима и в таких случаях необходимо предусмотреть перебег режущего инструмента относительно обрабатываемой детали на расстояние, достаточное для получения заданной шероховатости и точности.

Участки ступенчатого вала (рис. 6 к) в виде цилиндрической поверхности, сопрягающейся с торцом заплечика невозможно чисто обработать. Поэтому на участке сопряжения целесообразно выполнить канавку для выхода инструмента (рис.6 л). Поскольку канавка является концентратором напряжения, то в высоконагруженных деталях необходимо выполнять сопряжение с галтелью (рис. 6 м).

Конструкция детали должна позволять осуществлять выход режущего

инструмента в конце обработки. На рис. 7 а показан пример чашечной детали с нетехнологичным выполнением цапфы, которая может быть прошлифована только дорогим и малопроизводительным способом - с помощью чашечного круга, эксцентрично установленного по отношению к валу (рис.7 б). Для обеспечения цилиндрического шлифования цапфу следует выпустить из чашечки на расстояние, достаточное для выхода шлифовального круга.



Рис.7. Примеры выполнения обработки поверхностей деталей.

Технологичная конструкция позволяет осуществлять свободный подход режущего инструмента к обрабатываемой поверхности. Для обеспечения этого конструктор должен ясно представлять характер операции, размеры инструмента и крепежных элементов, условия установки и крепления детали при обработке.

На рис.7 г показана конструкция цилиндра с фланцами. Отверстие в центральном фланце может быть выполнено через вспомогательное отверстие (рис.7 д) или через выемку (рис.7 е) в верхнем фланце.

Поверхности, которые обрабатываются разным инструментом с различной степенью точности и шероховатости должны быть конструктивно разделены одна от другой. Цилиндрические поверхности одинакового диаметра, обрабатываемые до различных параметров шероховатости (рис. 7, з) целесообразно разделять канавкой. Валы, имеющие насадные детали должны быть выполнены ступенчатыми.

При обработке отверстий следует избегать сверления под углом к поверхности (рис. 7, и) и выполнять специальные площадки.

Приведенные примеры являются лишь частичными рекомендациями по повышению технологичности изделия. При реальном выборе конструкции необходимо учитывать особенности различных методов обработки и конкретные возможности производства.

Конструкция проектируемой детали должна обеспечивать возможность применения прогрессивных технологических процессов её изготовления, в том числе малоотходных, ресурсосберегающих и т. д., а также с использованием станков с ЧПУ, с применением роботов, быстросменных и групповых наладок в условиях гибких производственных систем.

Для повышения технологичности сборки следует выполнять одно из основных требований - изделие должно состоять из отдельных сборочных единиц, каждая из которых должна содержать как можно меньшее число деталей. Каждая сборочная единица должна допускать независимую сборку, контроль и испытание, что позволяет производить параллельную сборку отдельных сборочных единиц, что сокращает время сборки изделия.

Конструкция сборочной единицы должна состоять из как можно большего числа стандартных и унифицированных частей и обеспечивать удобство сборочных работ с применением средств механизации и автоматизации.

Задача сокращения числа деталей и операций сборки может быть достигнута путем фиксации соединяемых деталей в форме и последующей их заливкой высоконаполненным композиционным материалом на полимерной основе, образующим при затвердевании корпусную деталь.

Существует качественная и количественная оценка технологичности конструкции изделия.

Качественная оценка характеризует технологичность конструкции на основе опыта исполнителя.

Количественная оценка характеризуется следующими показателями: трудоемкость изготовления изделия, уровень технологичности конструкции по трудоёмкости, себестоимость изделия, уровень технологичности конструкции по себестоимости, материалоемкость изделия и энергоёмкость изделия (ГОСТ 14.201-83).

Рассчитанные показатели технологичности проектируемого изделия сравнивают с базовыми показателями, которые определены на основе статистических данных о ранее созданных конструкциях.

3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА

На машиностроительных предприятиях решаются задачи по выпуску в заданные сроки и в необходимых количествах изделий с выполнением всех требований, заданных технической документацией с наименьшими затратами.

Машиностроительное предприятие - это комплекс цехов, конторских помещений и транспортных средств, размешенных на одной территории и предназначенных для переработки материальных ценностей в готовую продукцию, выпускаемую для нужд потребителя.

Цехи подразделяются на основные (производственные) и вспомогательные.

Основные цехи - те, где происходит процесс превращения исходного материала в готовый продукт. Основными цехами являются литейные, кузнечные, прессовые, механические, сборочные, термические. Цехи делятся на группы и отделения.

Вспомогательные цехи - те, где не происходит процесса превращения исходного материала в готовый продукт, но выполняются все необходимые работы, без которых невозможно функционирование основных цехов и невозможно выполнить производственную программу. Вспомогательными цехами являются инструментальные, нестандартного оборудования, ремонтно-механический, деревообрабатывающий и др.

На машиностроительном предприятии имеются обслуживающие отделы - подразделения, связанные с проектированием, оформлением документации, здравоохранением, охраной, техникой безопасности и транспортировкой продукции.

Структура производства предусматривает наличие:

научно-исследовательских институтов и лабораторий для каждой отрасли машиностроения (конструкторское бюро + опытный завод);

опытных заводов для производства изделий мелкими партиями;

заводов серийного и массового производства.

На машиностроительных предприятиях при выпуске изделий приходится совмещать решение технических, экономических и организационных задач и в зависимости от объема выпуска, широты номенклатуры, регулярности и стабильности различают в соответствии с ГОСТ 14.004-83 три типа производства: единичное, серийное и массовое.

На предприятиях единичного производства количество одинаковых изделий, подлежащих изготовлению, исчисляется штуками; на каждом рабочем месте выполняются разнообразные технологические операции, используется точное универсальное оборудование и приспособления; станки в цехе расставляются по участкам (токарный, сверлильный, фрезерный, зуборезный и т.п.), используются простейшие исходные заготовки с большими припусками, точность достигается методом пробных ходов, широко используется разметка, пригонка по месту; технические нормы отсутствуют, нормирование труда осуществляется опытно-статистическим методом; используются рабочие высокой квалификации.

Серийное производство характеризуется изготовлением большого объема изделий ограниченной номенклатуры периодически повторяющимися партиями.

В зависимости от количества изделий в партии и значения коэффициента закрепления операций различают мелкосерийное, среднесерийное и крупносерийное производство.

Коэффициент закрепления операций есть отношение числа всех различных технологических операций, выполняемых в течение месяца к числу рабочих мест:

Коэффициент закрепления операций составляет: для мелкосерийного производства 20...40; для среднесерийного производства 10...20; для крупносерийного производства 1...10.

На предприятиях серийного производства выпускается порядка 80% всей продукции машиностроения при годовых программах выпуска от десятков до тысяч регулярно повторяющихся изделий. Широко используются станки с ЧПУ, обрабатывающие центры, гибкие автоматизированные системы станков с ЧПУ, связанных транспортными устройствами; используется универсальная и специальная оснастка, а также универсально-сборная, переналаживаемая технологическая оснастка; оборудование расставляется по технологическим группам с учетом направления движения изделия; используются также групповые поточные линии. Используются более точные заготовки, целесообразность применения которых определяется экономическими расчетами. Наряду с рабочими высокой квалификации, работающими на сложных универсальных станках, используются операторы более низкой квалификации, которые работают на настроенных станках. Обеспечивается полная или неполная взаимозаменяемость, а в ряде случаев и пригонка размеров по месту. Технологическая документация и техническое нормирование подробно разрабатываются для наиболее сложных и ответственных изделий. Для простейших изделий используется опытно-статистическое нормирование. Характер технологических процессов в серийном производстве в зависимости от размеров партий выпускаемых изделий может изменяться в широких пределах.

В массовом производстве непрерывно изготавливаются изделия узкой номенклатуры при больших объемах выпуска, как правило, в течение длительного времени. Коэффициент закрепления операций равен единице, т.е. на каждом рабочем месте выполняется только одна операция. Используются точные заготовки с минимальными припусками; применяется высокопроизводительное специальное оборудование, которое располагается по ходу технологического процесса; оборудование связано между собой автоматизированными транспортирующими устройствами и снабжено средствами автоматического промежуточного контроля; широко применяются автоматические линии, многошпиндельные автоматы и полуавтоматы; используется высокопроизводительный инструмент из сверхтвёрдых материалов. Требуемая точность достигается методами автоматического получения размеров на настроенном оборудовании с обеспечением взаимозаменяемости обрабатываемых изделий. Средняя квалификация рабочих в массовом производстве ниже, чем в единичном: на настроенных станках работают рабочие низкой квалификации, а наладчики станков имеют высокую квалификацию.

В условиях массового производства технологическая документация разрабатывается детально, тщательно рассчитываются технические нормы.

В реальных условиях на машиностроительных предприятиях имеет место сочетание различных типов производства.

Для определения типа производства используют коэффициент серийности Ксер, который определяется по формуле:

где: В - темп выпуска (мин/шт) , который определяется по формуле:



где: FД - действительный годовой фонд времени работы оборудования при работе в одну смену, ч;

m - число смен;

N - годовая программа выпуска, шт.

Действительный годовой фонд времени определяется по формуле:

, ч

где: ТСМ- продолжительность одной смены (8 часов)

Ф - число рабочих дней в году (253 дня)

КР - коэффициент, учитывающий простой оборудования в связи с ремонтом и обслуживанием (0,88...0,98) Среднее штучное время на операцию определяется по формуле:

где: n - число операций механической обработки,

Тшт.- штучное время i - ой операции.

При коэффициенте серийности до 3 - производство массовое, от 3 до 5 - крупносерийное; от 5 до 20 - среднесерийное; от 20 до 40 - мелкосерийное; свыше 40 - единичное.

4. ТОЧНОСТЬ ОБРАБОТКИ И МЕТОДЫ ЕЁ ДОСТИЖЕНИЯ

Под точностью реально существующей детали понимают степень её приближения по размерам, геометрической форме, правильности взаимного расположения обрабатываемых поверхностей и их шероховатости к аналогичным параметрам, заданным по чертежу.

От точности изготовления изделий зависит долговечность и надёжность их эксплуатации. Используемые в настоящее время мощные и высокоскоростные машины не могут функционировать, если они не обладают достаточной точностью, поскольку в местах сопряжения различных деталей будут иметь место зазоры и неправильное взаимодействие поверхностей, что вызовет дополнительные деформации, вибрации и преждевременный износ. Поэтому требования к точности изготовления деталей в машиностроении постоянно ужесточаются. В зависимости от назначения того или иного изделия допуски на детали могут изменяться от сотых долей миллиметра до десятых долей микрометра. Чем выше требования к точности изготовления деталей, тем сложнее технологический процесс механической обработки, выше его трудоёмкость и стоимость, но при этом обеспечивается взаимозаменяемость при сборке, появляются предпосылки её автоматизации, а также облегчается проведение ремонта машин в условиях их эксплуатации.

При разработке технологического процесса технолог должен обеспечить заданную по чертежу точность изготовления отдельных деталей при высокой производительности и экономичности их изготовления, выбрать необходимые измерительные инструменты для контроля точности обработки и сборки, назначить межоперационные технологические допуски и размеры и обеспечить возможность их выполнения.

В машиностроении существуют два метода достижения заданной точности обработки: метод "пробных ходов и промеров" и метод автоматического получения размеров на настроенных станках.

Сущность первого метода заключается в том, что к обрабатываемой поверхности заготовки рабочий подводит инструмент и с короткого участка снимает стружку. По еле этого станок выключают и производят замер частично обработанной поверхности. Определяется величина отклонения размера от заданного чертежом и положение инструмента корректируется путём отсчета по лимбу станка. Затем снова осуществляют пробную обработку участка заготовки, производят замер и корректировку инструмента до тех пор, пока не будет получен необходимый размер, заданный чертежом. После этого производят обработку заготовки по всей её длине. При обработке следующей заготовки весь процесс настройки инструмента повторяют.

При использовании этого метода широко используется разметка, когда на поверхность заготовки наносятся контуры будущей детали, положения осевых- линий отверстий, а рабочий старается совместить положение и направление движения инструмента с линиями разметки, обеспечивая при этом заданную форму обрабатываемых поверхностей.

Метод пробных ходов и промеров имеет следующие достоинства:

на неточном оборудовании существует возможность получения высокой точности обработки;

при неточной заготовке путем правильного распределения припуска исключается появление брака;

износ режущего инструмента не влияет на точность обрабатываемых поверхностей;

отсутствует необходимость наличия сложных и дорогостоящих приспособлений.

Метод имеет и ряд серьёзных недостатков:

низкая производительность из-за большого числа вспомогательных ходов;

возможность появления брака по вине рабочего;

высокая себестоимость обработки и трудоёмкость;

зависимость достигаемой точности обработки от минимально возможной толщины снимаемой стружки на используемом станке (на токарном станке при работе обычным резцом минимальная толщина снимаемой стружки 0,02 мм - гарантировать получение размера с погрешностью меньше этой величины невозможно).

Метод пробных ходов и промеров используется в единичном, опытном и мелкосерийном производствах, при обработке деталей тяжёлого машиностроения, а также для получения годных деталей из бракованных заготовок. В крупносерийном производстве метод используется в шлифовании для компенсации износа шлифовального круга.

Метод автоматического получения размеров на настроенных станках заключается в том, что станок предварительно настраивается на определенный размер, и точность обработки достигается автоматически без участия рабочего. На настроенном станке обрабатывается вся партия заготовок без какой-либо корректировки положения инструмента.

Метод имеет следующие преимущества:

повышается точность обработки, которая не зависит от минимально возможной толщины снимаемой стружки и квалификации рабочего;

снижается величина брака;

повышается производительность обработки за счет снижения потерь времени на вспомогательные движения и разметку;

рабочие высокой квалификации заняты на ответственных операциях настройки станка; на самих же станках работают рабочие низкой квалификации;

повышается экономичность производства.

Метод автоматического получения размеров используется в крупносерийном и массовом производстве, когда затраты на настройку станков окупаются большим количеством выпускаемой продукции.

Степени точности по ЕСДП называются квалитетами, которых установлено 19: 01, О, I, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, II,-12, 13, 14, 15, 16, 17. Точность от квалитета 01 убывает к квалитету 17.

Каким бы методом не обрабатывались детали, их размеры и формы поверхностей не могут быть идеально точными, и будут отличаться между собой и от заданных по чертежу на величину погрешности, которая зависит от многих параметров.

Погрешность - это разница между реальным размером детали и заданным по чертежу.

Все погрешности, возникающие в процессе обработки изделий подразделяются на систематические и случайные. В общем виде погрешности обработки могут быть классифицированы следующим образом: d - погрешности размера; р - погрешности взаимного расположения поверхностей; ф - погрешности формы поверхности; в - волнистость поверхности; ш - шероховатость поверхности.

Рис. 8. Погрешности обработки.

5. СИСТЕМАТИЧЕСКИЕ ПОГРЕШНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Систематическая погрешность - это такая погрешность, которая для всех заготовок рассматриваемой партии остаётся постоянной или же закономерно изменяется при переходе от каждой обрабатываемой заготовки к следующей.

Причинами возникновения систематических погрешностей обработки являются: неточность, износ и деформации станков, приспособлений и инструментов; деформации заготовок, тепловые процессы, происходящие в технологической системе, погрешности теоретической схемы обработки, погрешности наладки технологической системы на размер; погрешности измерений.

Погрешности, связанные с неточностью, износом и деформацией станков.

Металлорежущие станки выпускаются промышленностью с определённой степенью точности. Существуют станки нормальной, повышенной, высокой, особо высокой точности и особо точные. Для каждой группы станков ГОСТом определены нормы точности станков в ненагруженном состоянии. Тая, например, для токарно-винторезного станка мод. Ш6056 (станок нормальной точности средних размеров) определены следующие характеристики геометрической точности:

радиальное биение конца шпинделя 0,01 мм

торцовое биение шпинделя 0,01-0,02 мм

биение конического отверстия в шпинделе 0,02 мм

прямолинейность направляющих станины 0,02 мм

параллельность оси шпинделя направлению движения каретки в вертикальной плоскости на длине 300 мм 0,02-0,03 мм

в горизонтальной плоскости 0,01-0,015 мм

Таким образом, даже новый станок имеет погрешности геометрической точности, которые полностью или частично передаются в процессе механической обработки на заготовку в виде систематических погрешностей. На рис. 9 показаны примеры влияния погрешностей станков на обрабатываемые заготовки.

При непараллельности оси шпинделя токарного станка направлению движения суппорта в горизонтальной плоскости (рис. 9, а) заготовка, становится конической.

При непараллельности оси шпинделя токарного станка направлению движения суппорта в вертикальной плоскости (рис. 9, б), заготовка приобретает форму гиперболоида вращения.

При неперпендикулярности оси шпинделя вертикально-фрезерного станка к плоскости стола в продольном направлении (рис.9, в) на. обрабатываемой заготовке появляется вогнутость, которая зависит от диаметра фрезы, угла наклона шпинделя и ширины обрабатываемой поверхности.

При неперпендикулярности оси шпинделя вертикально-фрезерного станка к плоскости стола в поперечном направлении (рис. 9, г) возникает непараллельность обработанной плоскости заготовки относительно установочной.

Биение посадочных поверхностей шпинделей токарных станков, которое может быть вызвано неточностью их изготовления или неправильной регулировкой подшипников приводит к искажению формы обрабатываемой заготовки в поперечном сечении: овальность, некруглость, разбивка отверстий и т.д.

Перенос погрешности станков на обрабатываемые заготовки имеет место и у всех других, типов станков: сверлильных, шлифовальных, координатно-расточных, фрезерных, строгальных и т.д.

К увеличению систематических погрешностей обрабатываемых заготовок ведёт износ станков в процессе их эксплуатации, происходящий неравномерно. Больший износ имеют поверхности станков, которые наиболее интенсивно используются при его работе, например направляющие. Причём износ таких поверхностей происходит неравномерно по их длине: у токарных станков средних размеров участок наибольшего износа направляющих находится на расстоянии 350...400 мм от торца шпинделя (на рис.9 ,д показана лунка износа). Это вызвано тем, что в этом месте осуществляется наиболее интенсивное движение суппорта, поскольку станок предназначен для обработки валов средних размеров 300...500 мм.

Систематические погрешности обработки заготовок могут быть вызваны неправильной установкой опор станков, искривлением направляющих при монтаже, оседании фундаментов, а также прогибом под действием собственной массы.

Погрешности обработки, вызываемые неточностью и износом инструмента.

Неточность мерного инструмента (свёрла, метчики, развертки, фасонные резцы, плашки, протяжки, зенкеры, концевые пазовые фрезы, модульные фрезы) непосредственно передаётся на обрабатываемые заготовки, создавая систематические погрешности, хотя, как правило, они незначительны.

Наиболее существенную переменную систематическую погрешность вызывает износ инструмента по задней поверхности при работе на настроенных станках по методу автоматического получения размеров. В процессе работы резца его вершина постепенно удаляется от оси вращения заготовки в связи с радиальным износом, что ведет к увеличению диаметра обточки. Зависимость размерного износа резца от пути резания показана на рис.10 .

В начальный период работы режущего инструмента имеет место его интенсивный износ, вызванный приработкой, когда выкрашиваются отдельные выступающие кромки и заглаживаются впадины на режущей кромке. Этот участок является незначительным и при заточке инструмента алмазными кругами составляет 500 м, а обычными - I000...2000 м.

На втором участке происходит нормальный износ инструмента, прямо пропорциональный пути резания. Угол наклона прямой износа характеризует интенсивность размерного изнашивания инструмента. Длина пути резания на этом участке составляет 30000...50000 м.

Третий участок характеризует критический износ инструмента, когда в любой момент возможно его разрушение. Работа инструмента при таком износе недопустима.

Износ режущего инструмента зависит от нескольких причин: жесткости технологической системы, режущего и обрабатываемого материалов и режимов резания.

С повышением жесткости технологической системы или с повышением демпфирования в ней, вибрации снижаются, и износ режущего инструмента значительно снижается. Так, например, при выполнении державок резцов из высоконаполненного композиционного материала на полимерной основе (синтеграна), обладающего высокими демпфирующими способностями, износ резцов снижается в 1,4...1,7 раза.

Износ инструмента зависит также и от условий его работы. Так при наружном точении износ значительно ниже, чем при растачивании, которое осуществляется в худших условиях (затруднен отвод стружки, подвод охлаждающей жидкости, большой вылет инструмента и т.д.).

При работе резцами, фрезами, шлифовальными кругами и т.д. возможна компенсация размерного износа инструмента путём поднастройки станка, но погрешности формы остаются.

Износ режущего инструмента рассчитывается по формуле:

где: V0 - удельный износ (мкм/км);

L - длина пути резания (м).

При точении длина пути резания:

где: D - диаметр обрабатываемой заготовки (мм);

l - длина обрабатываемой поверхности (мм);

S - подача (мм/об).

При фрезеровании длина пути резания:



где: l - длина хода (мм);

B - ширина фрезерования (мм);

S0 - подача фрезы (мм/об);

Z - число зубьев фрезы;

SZ - подача фрезы (мм/зуб).

Погрешности обработки, связанные с величиной усилия зажима заготовки.

При закреплении заготовок в приспособлениях они могут деформироваться под действием усилий зажима. Особенно этому подвержены тонкостенные заготовки в виде труб, колец, втулок, корпусных деталей. Поскольку усилия зажима и размеры обрабатываемых заготовок всей партии постоянны, то погрешности формы являются систематическими и могут быть рассчитаны по формулам.

На рис. 11 , а показана корпусная деталь, которая при закреплении деформируется: её боковые стенки выгибаются, как показано на рис.11, б. При сверлении отверстия в боковой стенке оно будет иметь погрешность формы, например, конусность, после того, как деталь вынут из приспособления (рис.11,в).

При закреплении кольца в патроне оно деформируется под влиянием усилия зажима кулачков, причем в местах контакта с кулачками диаметр кольца уменьшается, а в промежутках между ними - увеличивается (рис.12, б). Если при этом произвести обработку центрального отверстия (рис.12, в), то после извлечения кольца из патрона (рис.12, г) оно будет иметь погрешность формы - некруглость.

При закреплении тонкостенных деталей в патроне погрешность формы бывает достаточно большой и зависит от числа кулачков в патроне. Причем при увеличении числа кулачков погрешность уменьшается. Если принять погрешность формы заготовки при обработке её в двухкулачковом патроне за 100^, то при обработке в трёхкулачковом патроне она снизится до 21%, в четырехкулачковом - до 8%, а в шести - 2%.

Таким образом, необходимо стремиться к использованию приспособлений с наибольшим числом зажимных элементов, кроме того, они должны плотно прилегать к поверхности заготовки, а их рабочая поверхность по форме должна соответствовать форме соответствующей поверхности заготовки.

При закреплении заготовок в приспособлениях с их дальнейшей обработкой систематические погрешности геометрической формы могут появиться при деформации заготовок под действием собственного веса, центробежных сил, возникающих в момент обработки из-за наличия неуравновешенных масс отдельных частей, при одностороннем снятии припуска с перераспределением внутренних напряжений, которые образовались в заготовках при их получении или предварительной обработке.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Погрешности обработки, связанные с деформациями технологической системы под влиянием нагрева.

Неработающий станок имеет одинаковую температуру всех его частей, приблизительно равную температуре окружающей среды. При работе станка происходит постепенное неравномерное нагревание элементов технологической системы, что приводит к появлению систематической погрешности обработки заготовок.

Тепловые деформации станков происходят из-за неравномерного нагрева отдельных их частей. Источниками тепла в станках являются электродвигатели, подвижные механизмы (подшипники, зубчатые колёса, направляющие), зона резания, рабочие жидкости (СОЖ, масло), а также внешние источники (батареи отопления, солнечные лучи и т.д.).

Наибольший нагрев в станках имеют шпиндельные бабки, которые при работе разогреваются до 20...60°С, причем в разных точках корпуса температура может быть разная. Больше всего нагреваются подшипники быстроходных валов и шпинделя, а также зубчатые колёса. Это приводит к смещению положения оси шпинделя, направление которого зависит от расположения валов в корпусе.

На рис. 13 , поз. I показано горизонтальное смещение оси передней бабки токарного станка при работе в центрах. В начале работы шпиндельная бабка разогреваясь перемещается в направлении рабочего, вызывая переменную систематическую погрешность обработки, которая пропорциональна частоте вращения шпинделя. После 4...5 часов работы шпиндельная бабка полностью нагревается, её температура стабилизируется, а также и положение оси шпинделя. Если после этого станок выключить, то он будет медленно остывать, а ось шпинделя постепенно возвратится в начальное положение.

В настоящее время шпиндельные бабки высокоточных станков выполняют из композиционных материалов, которые обладают меньшей теплопроводностью, чем сталь и чугун. На рис. 13 поз. 2 показано горизонтальное смещение оси передней бабки токарного станка, выполненной из композиционного материала. По сравнению с металлической шпиндельной бабкой она нагревается меньше и медленнее, и также медленнее остывает, возвращаясь в исходное положение.



Рис. 14. Линейные деформации резца при его работе.

На схематически изображён плоскошлифовальный станок, под столом которого размещен силовой цилиндр привода стола. В процессе работы станка, масло, поступающее в цилиндр разогревает его, а также происходит неравномерный нагрев стола. В результате рабочая поверхность 1 стола (на ней закрепляется магнитная плита) деформируется и занимает положение 2.

Для снижения погрешностей обработки, которые вызваны тепловыми деформациями станка при высокоточных работах станок предварительно прогревают на холостом ходу в течение 2...3 часов, после чего приступают к работе. При выполнении элементов станка из композиционных материалов в процессе их изготовления прокладываются дренажные трубопроводы по которым в процессе работы станка циркулирует охлаждающая жидкость.

Тепловые деформации инструмента являются доминирующими в тепловых деформациях всей технологической системы, поскольку в процессе работы резцы непосредственно контактируют с зоной резания и нагреваются до высоких температур, что ведёт к значительным линейным деформациям, а следовательно и к погрешностям обработки. В процессе работы нагрев резца происходит в течение 20…25 минут (рис.14 , поз. 1), после чего наступает тепловое равновесие. Удлинение резца после его нагрева можно рассчитать по формуле:



где: С - постоянная, зависящая от режимов резания;

lP - вылет резца;

F - поперечное сечение.

Чем выше твёрдость обрабатываемого материала, больше вылет и меньше поперечное сечение державки резца, тем больше его удлинение.

При работе по методу автоматического получения размеров до наступления теплового равновесия удлинение резца вызывает погрешность размеров обрабатываемых заготовок.

Если резец работает с перерывами (рис. 14, поз. 2),то происходит чередование нагрева, и охлаждения резца, в результате общее удлинение резца и температурные погрешности обработки значительно снижаются.

При использовании резцов с державками, выполненными из композиционных материалов их нагрев и линейные деформации значительно ниже, чем при точении резцами с цельнометаллическими державками, рис. 14, поз. 3.

Погрешности обработки, связанные с тепловыми деформациями заготовки.

Рис.16. Распределение температуры в обрабатываемой заготовке и её форма после обработки.

При механической обработке часть тепла, выделяемая в зоне резания идёт на нагрев заготовки, в результате чего она изменяет свои размеры, что ведёт к появлению систематической погрешности обработки. Наибольшая погрешность обработки имеет место при обработке тонкостенных заготовок, я также заготовок, имеющих переменное поперечное сечение.

Нагревание заготовок зависит от вида обрабатываемого материала, режимов резания и времени теплового воздействия на обрабатываемую заготовку. Чем меньше время теплового воздействия, тем меньше температура заготовки, а следовательно и ее деформация.

В ряде случаев погрешности, связанные с тепловым нагревом заготовок могут быть соизмеримы с допусками на обработку. В таких случаях необходимо использовать обильное охлаждение зоны резания или изменять режимы обработки.

Погрешности измерения размеров.

Систематические погрешности измерений могут быть вызваны многими причинами.

Для примера рассмотрим штангенциркуль, изображенный на рис.17.

Штангенциркуль с нониусом изготовлен из закаленной легированной стали, поверхность шкалы хромирована и притерта для облегчения скольжения подвижной части. Штангенциркулем можно измерять наружные размеры (1), внутренние размеры (2), глубины (3) и ступени (4).

При использовании штангенциркуля для измерения размеров погрешности возникают по следующим причинам:

на заводе-изготовителе отметки делений шкалы нанесены не абсолютно точно: между двумя рисками расстояние не I мм, а колеблется в интервале от 0,995 до 1,005 мм;

в процессе измерений рабочий берет штангенциркуль рукой и он нагревается от тепла руки. В результате происходит линейное удлинение шкалы, расстояние между рисками увеличивается;

шкала нониуса имеет наклон по отношению к плоскости отсчета основной шкалы в результате при считывании величины размера имеет место параллакс - видимое изменение положения рисок вследствие перемещения глаза наблюдателя;

при измерении наружных и внутренних размеров происходит перекос губок штангенциркуля, поскольку измеряемая величина находится в стороне от шкалы отсчета.

При использовании других типов штангенциркулей или измерительных приборов (микрометров, миниметров, пассаметров, индикаторных и цифровых штангенциркулей) погрешность возникает из-за наличия механизмов (рычажных, винтовых и т.д.) передачи величины размеров.

Рис.17. Штангенциркуль с нониусом.

Влияние погрешности измерения может привести к тому, что часть проверенных изделий будет отнесена к годным, хотя истинные значения их размеров находятся за пределами поля допуска, а часть изделий будет забракована. Поэтому значения размеров, по которым осуществляют приёмку изделий устанавливают совпадающими с предельными отклонениями проверяемого размера (предпочтительный способ) или смещенными от предельных отклонений размера (уменьшение допуска), т.е. вводят производственный допуск.

Для снижения погрешностей измерений необходимо, чтобы точность измерительного инструмента была бы выше допуска измеряемого размера.

Погрешности теоретической схемы обработки.

При обработке заготовок сложного профиля необходимо произвести наладку станка, т.е. согласованную установку режущего инструмента, рабочих органов станка, приспособления в положение, которое с учётом всех явлений, происходящих при обработке, обеспечивает получение заданного размера в пределах допуска. Кроме того в наладку входит установка заданного режима обработки путем подбора сменных шестерён, управление частотой вращения шпинделя и движением подачи. В ряде случаев наладка является весьма сложным и трудоёмким процессом, поэтому по возможности при обработке некоторых сложных фасонных поверхностей заведомо в схему обработки закладывают определенные упрощения конструкции режущего инструмента и устанавливают приближенную кинематическую цепь. Т.е., например, изготавливают зуб колеса не по идеальной эвольвенте, а по кривой, близкой к ней.

...