Погрешности, обусловленные упругими деформациями системы Станок—Деталь—Инструмент

В процессе резания металлов действует сила резания. Со стороны режущего инструмента она приложена к сечению среза, а следовательно, к детали и затем к станку. Со стороны сечения среза она приложена к резцу, суппорту и следовательно, также к станку. Таким образом, при резании образуется замкнутая упругая система станок — деталь — инструмент, находящаяся под воздействием силы резания. В связи с этим все элементы системы упруго деформируются, что является одной из причин появления погрешностей обработки. Это можно показать на следующих примерах.

Пусть валик (фиг. 2) консольно закреплен в патроне токарного станка. Упруго деформируясь под действием силы резания, приложенной к нему со стороны резца, он изогнется подобно тому, как изгибается под действием груза консольная балка. Деформируются также шпиндель станка и его опора. В результате деформации ось валика у конца вылета его удалится от нормального положения в радиальном направлении, т. е. в направлении оси у, на величину у₁. Резец под действием силы резания, приложенной к нему со стороны сечения среза, тоже сместится, но в противоположном направлении, на величину у₂. В результате первоначально установленное расстояние между вершиной резца и осью валика возрастет на величину y→y₁+y₂, и диаметр D₁ детали, соответствующий первоначальной установке, увеличится и будет равен D₂=D₁+2y. Изменение диаметра в связи с деформациями можно легко устранить, изменив положение резца. Однако в процессе резания деформации не остаются постоянными. Их величины, как правило, изменяются в широких пределах по мере перемещения режущего инструмента в процессе подачи. В данном случае резец будет перемещаться в направлении подачи s, приближаясь к патрону; длина консоли валика, изгибающий момент, упругие отжатая и диаметр обтачиваемой детали будут постепенно уменьшаться. После обточки форма валика получится не цилиндрической, а слегка конической.

Фиг. 2. Погрешности обработки, возникающие в связи с упругими деформациями при обработке детали, зажатой в патроне консольно.

Вследствие упругих деформаций валик, обточенный в центрах станка, примет бочкообразную форму (фиг. 3, а), особенно если длина его больше десятикратного значения диаметра Если обтачиваемый вал более жесткий, нежели его опоры — шпиндель и пиноль задней бабки,— то после обточки он может принять так называемую корсетную форму (фиг. 3, б). Обработанное на расточном станке отверстие получится коническим (фиг. 3, в), так как по мере увеличения вылета консоли шпинделя жесткость его уменьшается, а величина упругих отжатий возрастает.

Фиг. 3. Погрешности обработки, возникающие в связи с упругими деформациями: а — при обработке нежесткой детали в жестких центрах: б — при обработке жесткой детали при малой жесткости опор-центров; в — при расточке отверстия оправкой, жесткость которой уменьшается при увеличении вылета оправки.

Упругие деформации пропорциональны нагрузкам: чем больше нагрузка, в данном случае сила резания, тем больше упругие деформации. Поэтому, если величина припуска на обработку на отдельных участках поверхности детали будет различной, то при обработке возникнут дополнительные погрешности формы и размеров. Это объясняется тем, что в местах с большим припуском будет больше сила резания и упругое отжатие. Упругими отжатиями обусловливается явление копирования погрешностей формы заготовки, т. е. перенесение этих погрешностей на обработанную деталь. Например, вал (фиг. 4,а), заготовка которого имеет неодинаковый припуск на диаметр по длине (z₁<z₂), после обточки получит ступенчатую форму (D₁<D₂). При неодинаковом припуске по окружности поперечные сечения будут искажены (фиг. 4, б). Профрезерованная на станке деталь с непостоянным припуском по длине будет иметь после обработки искажения, которые называют неплоскостностью и непрямолинейностью.

Фиг. 4. Погрешности обработки, возникающие в связи с неодинаковой величиной припуска на обработку.

Искажения формы и размеров возникают также при непостоянной твердости металла заготовок, так как на участках с большей твердостью величина упругих деформаций возрастает.

При механической обработке детали погрешности формы и размеров заготовки значительно уменьшаются. Это явление принято называть уточнением. Отношение величины погрешности формы и размеров заготовки к соответствующей погрешности, перенесенной на деталь, называют коэффициентом уточнения. При нормальных условиях работы коэффициент уточнения колебнется в пределах 20—100.

Величина упругих отжатий зависит также от степени затупления режущих инструментов и их геометрии. При затуплении режущего инструмента сила резания возрастает, и радиальная составляющая ее может достичь двукратного увеличения. В такой же мере возрастет величина радиального упругого отжатия и соответственно связанная с этим погрешность. Из геометрических элементов режущих инструментов на величину упругих отжатий наиболее существенно влияют главный угол в плане и передний угол. С уменьшением главного угла в плане радиальная составляющая Р_y и величина радиального отжатия возрастают. Например, если уменьшить главный угол в плане резца с 90 до 45°. то радиальная составляющая Р_y увеличится в два раза. При увеличении переднего угла сила резания и упругие отжатия уменьшаются.

Причины, обусловливающие погрешности, связанные с упругими деформациями, рассмотрены независимо друг от друга. Однако в процессе резания они возникают одновременно и взаимодействуя, определяют общую величину погрешности от упругой деформации. Установлено, что величина ее может достигать больших значений и составлять до 80% общей погрешности обработки.

Влияние упругих отжатий на точность обработки может быть значительно уменьшено повышением жесткости системы. Жесткость системы — это способность ее сопротивляться деформациям под действием нагрузки — силы резания.

Фиг. 5. Влияние на точность обработки упругих отжатий х и z.

Величину упругого отжатия, возникающего под действием силы резания, можно представить как геометрическую сумму отжатий z, у и х в направлении действия составляющих Р_z, Р_y, и Р_x. Эти отжатия влияют па точность обработки неодинаково: влияние отжатия х всегда равно нулю; влияние отжатия z весьма незначительно и сказывается лишь при точении. Приращение диаметра ΔD (фигура 5) значительно меньше отжатия z. Приращение размера, т. е. погрешность, возникающая в связи с отжатием у, равно величине отжатия; при точении приращение диаметра равно 2у. Это объясняется тем, что отжатие у направлено перпендикулярно к обработанной поверхности, а отжатия х и z — касательно к ней. Следовательно, наибольшее влияние на точность обработки оказывает упругое отжатие у. Поэтому под жесткостью системы понимают в первую очередь жесткость ее в радиальном направлении. Если сила, действующая в этом направлении, равна Р_y, а упругое сжатие у, то жесткость в этом направлении j будет равна

j=P_y/y кг/мм.

При Р_y, равном, например, 500 кг, и у=0,1 мм

j=500/0,1=5000 кг/мм;

при у=0,05 мм и том же значении P_y получим

j=500/0,05=10 000 кг/мм.

Следовательно, чем больше жесткость системы, тем меньше ее деформации и связанные с ними погрешности обработки. Жесткость системы определяют экспериментально или теоретически. Пользуясь данными, характеризующими жесткость системы, во многих случаях можно заранее определить величину погрешности или, наоборот, задавшись допустимой величиной погрешности, определить режимы резания и число необходимых для этого проходов.

Увеличить жесткость системы — это значит увеличить жесткость станка, детали, инструмента, приспособления. Необходимая жесткость станка предусматривается конструкторами при проектировании его. Она определяется не только величиной поперечных сечений основных деталей станка, но и качеством подгонки соединений, величиной зазоров в опорах, стыках, соединениях и т. д. В процессе эксплуатации качество соединений ухудшается, величина зазоров увеличивается. Поэтому их следует тщательно регулировать и восстанавливать при ремонте При наладке станков для увеличения жесткости системы следует стремиться максимально уменьшать вылеты пинолей, патронов и других деталей. Жесткость детали увеличивают применением подвижных и неподвижных люнетов, направляющих втулок, уменьшением вылета детали при закреплении ее в патроне и т. д.

Жесткость фрезерных станков увеличивают, скрепляя кронштейнами консоли столов с хоботами и станинами. С целью увеличения жесткости инструмента следует стремиться к уменьшению его вылета и к увеличению поперечных сечений державок и оправок. На фрезерных станках следует стремиться к уменьшению расстояний между опорами оправок для фрез.

Увеличение жесткости системы наиболее эффективно влияет на снижение погрешностей от деформаций. Оно также уменьшает возможность возникновения в процессе резания вибраций Однако на практике бывает и так, что все возможности по увеличению жесткости системы использованы, а результаты обработки получаются все еще неудовлетворительными. В этих случаях следует сначала выяснить, что является причиной неудовлетворительной точности обработки, а затем попытаться подобрать наиболее рациональный способ либо устранения, либо уменьшения ее влияния.

Точность обработки повышается при уменьшении неравномерности припуска на заготовках, неравномерности твердости заготовок и при уменьшении затупления режущего инструмента. Чтобы уменьшить погрешности, необходимо установить допустимую при данных условиях величину износа инструмента. Принудительная смена его после установленного срока работы или после обработки определенного количества деталей является лучшим способом устранения погрешностей, обусловленных затуплением. Кроме того, принудительной сменой достигается удлинение срока службы инструмента. Иногда бывает целесообразно изменить геометрию режущих инструментов, увеличив передние углы и главные углы в плане.

Необходимую точность обработки можно получить увеличением числа проходов. Если коэффициент уточнения в этом случае равен n (например n = 30), то при двукратном проходе величина уточнения равна n² (n² = 900) и т. д.

Не все из методов, кроме метода увеличения жесткости системы, могут быть одинаково эффективно применены для повышения точности обработки. Наряду с положительным влиянием, применение многих из них дает и отрицательные результаты. Например, увеличение степени точности заготовок на предшествующих операциях требует дополнительных затрат труда на этих операциях; увеличение главного угла в плане и переднего угла вызывает уменьшение стойкости инструмента, увеличение количества настроек и, следовательно, приводит к снижению производительности труда. Увеличение количества проходов также связано с дополнительными затратами труда.

Знакомство с особенностями каждого из методов, с их достоинствами и недостатками дает возможность творчески применять их на практике с целью достижения наибольшей производительности труда.

В.И. Ишуткин. Настройка металлорежущих станков. Машгиз. 1960.