Рис. 1.2 Внешний вид шатуна с некоторыми данными по базированию и точностным параметрам
Очевидно, что абсолютно точно изготовить деталь практически невозможно, поэтому за меру точности принимают допустимые отклонения размеров; взаимного расположения поверхностей и формы от идеальных.
Ниже перечислены показатели точности соответствия реальной детали своему идеальному прототипу, номиналу:
- 1) точность размеров деталей, т.е. расстояний между двумя точками или линиями на поверхности, определяемая отклонением фактических размеров от номинальных;
- 2) точность взаимного расположения поверхностей, определяемая техническими требованиями ;
- 3) точность формы поверхностей детали, характеризуемая следующими тремя видами отклонений (рис. 1.3):
- макрогеометрические отклонения, т.е. отклонения реальной формы в пределах габаритных размеров детали;
- волнистость, т.е. отклонения в пределах малых участков протяженностью 1...10 мм;
- микрогеометрические отклонения (микронеровности, или шероховатость), т.е. отклонения реальной поверхности в пределах очень малых участков с длиной менее 1 мм (Rz, Ra).
Рис. 1.3. Точность формы поверхности детали, изготовленной с соблюдением заданного допуска δ: 1 - деталь; 2 - макрогеометрическое отклонение; 3 - волнистость (на участке длиной в пределах 10 мм); А - шероховатость (на участке длиной в пределах 1 мм)
Каждый из показателей точности определяется допуском, и между этими допусками существует следующее соотношение:
где δр — допуск на размер; δр.п — допуск на расположение поверхностей; δмакр — допуск на отклонения макрогерметрических параметров поверхности; δш — допуск на шероховатость.
Пример. Рассмотрим эскиз, в котором имеются ошибки (рис. 1 4). Срисуйте эскиз и исправьте имеющиеся ошибки.
Рис. 1.4. Эскиз детали для обработки
Допуски на все показатели точности детали и машины обычно подразделяются на две части (рис. 1.5):
- 1) допуск на изготовление детали машины Smax;
- 2) допуск на износ детали машины во время ее эксплуатации с Sэкспл.
Рис. 1.5. Допуски на изготовление узла (δо и δв) и на его эксплуатацию (Sэкспл=Спред=Smax
Величина допуска Sэкспл на износ, например, пары трения оценивается по формуле:
где Спред — предельный (максимально допустимый) зазор в данном стыке; Smin — минимально допустимый зазор; δо и δв — допуски на изготовление соответственно отверстия и вала.
Долговечность работы стыка деталей:
где Gо и Gв — скорости изнашивания соответственно детали с отверстием и вала. Как следует из формул (1.1) и (1.2), основными направлениями повышения долговечности являются:
- увеличение значения Sэкспл за счет уменьшения δо и δв;
- уменьшение Gо и Gв, например, за счет применения более износостойкого покрытия или упрочнения поверхностей.
Теперь рассмотрим причины возникновения погрешностей при механической обработке, влияющих на точностные параметры деталей.
1. Неточность геометрических параметров станка и износ его узлов (Δг). Если исходное биение шпинделя токарного станка 5 мкм, а износ подшипников достиг 10 мкм, то из-за возможного перехода от жидкостного трения в подшипнике к сухому погрешность может возрасти до 15 мкм.
Следует учитывать, что передняя направляющая токарного станка изнашивается примерно в 5 раз больше, чем задняя. Годовой износ передней направляющей при двухсменной работе составляет 0,04...0,05 мм в единичном и 0,1...0,12 мм — в массовом производстве.
2. Неточность изготовления инструмента (Δизг). Наличие погрешности в изготовлении, например, резьбового или модульного инструмента, развертки или протяжки непосредственно отразится на точности деталей.
Рис. 1 6. Зависимость износа инструмента от пути резания: ОА — повышенный износ; АВ — нормальный износ; ВС— быстрый (катастрофический) износ
3. Износ инструмента (Δи). Во всех случаях процесс изнашивания протекает в три этапа. Первый характеризуется повышенным износом, второй — нормальным и третий — быстрым (ускоренным или катастрофическим) износом с последующим возможным разрушением инструмента. Для определения величины износа Ux инструмента после обработки х деталей, непосредственно влияющего на погрешность при точении, используется уравнение, основанное на зависимости износа от пути резания, приведенной на рис. 1.6:
где Uн — износ на начальном этапе; Uотн и U2 — относительный износ после обработки х деталей и по завершении второго этапа; lх — путь, пройденный инструментом за время обработки х деталей.
Пути уменьшения периодическая подналадка станка; принудительная смена инструмента и непрерывная правка шлифовальных кругов (что осуществляют на ВАЗе); применение более износостойкого инструмента и т. п.
4. Нежесткость упругой системы ДИСП (деталь—инструмент—станок—приспособление) (Δупр). Эта причина вызывает такие погрешности формы, как бочкообразность и конусность (рис. 1.7).
Рис. 1.7. Погрешность формы детали с виде бочкообразности (1) и конусности (2) вследствие нежесткости системы ДИСП: а - точение деталей; б - измененные формы деталей после точения
Жесткость J, Н/мм, системы ДИСП равна отношению силы резания Ру к величине деформации у в точке приложения этой силы:
а податливость W, мкм/Н, системы ДИСП — это величина, обратная J:
В свою очередь, погрешность, мкм, возникающая вследствие упругости системы ДИСП, равна:
Для примера приведем некоторые данные о жесткости, кН/мм, токарных станков с высотой центров 300 мм: у передней бабки J=150, у задней бабки — 75, у суппорта — 200.
У старых, изношенных станков значение J в 2—3 раза меньше, чем у новых.
Пути снижения погрешности Δупр: поджим детали задним центром, применение подвижных и неподвижных люнетов.
5. Погрешность настройки станка (Δн). Эта погрешность возникает, например, при настройке на размер по лимбу ручки подачи и составляет 30...50% цены деления на лимбе, а также при смещении оси заднего центра относительно оси шпинделя в вертикальной или горизонтальной плоскости.
6. Температурный фактор (Δт). Рассмотрим три причины возникновения погрешности вследствие температурной деформации отдельных составляющих при работе системы ДИСП.
Нагрев инструмента рассмотрим на примере, приведенном на рис. 1.8, а, когда вылет резца l=50 мм, средняя температура нагрева этой части Δtср=80°C (353 К), а коэффициент линейного расширения материала резца α=1,2·10-5 К-1.
Рис. 1.8. Погрешность, обусловленная влиянием температурного фактора вследствие нагрева резца (а) и детали (б) при резании ее начального (Н), среднего (С) и конечного (К) участков: 1 — исходная поверхность; 2 — траектория движения вершины резца; 3 — поверхность после обработки; l — вылет резца
После подстановки этих данных в формулу:
получим величину Δl=0,05 мм и погрешность размера детали 0,1 мм.
Нагрев детали происходит в зоне контакта с инструментом (рис 1.8, б). Поскольку 3...10% теплоты при резании переходят непосредственно в поверхностный слой детали, последний расширяется и удаляется в виде стружки, что приводит к соответствующему уменьшению диаметра после охлаждения детали. На начальном участке обработки (Н), когда деталь не нагрелась, имеем наибольший диаметр, в средней части (С) повышение температуры и съем металла равномерные, а в конце резания (К) сток тепла через торец детали резко снижается, что приводит к расширению металла, поэтому диаметр этого участка детали оказывается наименьшим.
Неравномерный нагрев отдельных узлов станка связан с влиянием различных факторов, например постоянного теплового потока, возникающего в результате металлообработки, или внешнего источника теплоты (батарея, солнечные лучи и т.п.). Пути снижения влияния этих факторов: интенсивное охлаждение зоны резания, инструмента и приспособления; своевременная смазка трущихся частей станка; достаточное удаление станка от внешних и внутренних тепловых источников.
7. Неравномерность распределения остаточных напряжений (Δо.н) При неравномерном охлаждении нагретой детали в ней возникают внутренние остаточные напряжения первого рода, которые приводят к се деформации. Далее, при последующей механической обработке, когда снимаются слои металла с остаточными напряжениями разного знака, деталь будет деформироваться вследствие перераспределения этих напряжений. Для устранения данной погрешности необходима высококачественная термообработка или термообработка детали, закрепленной в стапеле.
8. Погрешность установа детали (εу). Эта погрешность включает в себя три составляющие: погрешность базирования (ε) и закрепления (εз) детали, а также погрешность приспособления (εпр), связанную в основном с базированием. Подробно вопросы базирования деталей рассмотрены в следующем подразделе.
Теперь, учитывая все возможные причины, способные вызвать погрешность, составим общее выражение для расчетно-аналитической оценки погрешности при изготовлении деталей:
На практике расчетно-аналитический метод оценки точности обработки деталей используется в основном в серийном и массовом производстве. В авторемонтных организациях (АРО) применяется, как правило, опытно-статистический метод.