Загальна теорія точності механічної обробки (стр. 4 из 9)
Різальний інструмент за 15–25 хв нагрівається до температури 800–1000°С і вище (рис. 12, крива 2). На початку різання різець швидко видовжується, потім настає теплова рівновага і видовження різця закінчується (рис. 12, крива 1).
Рис. 12. Вплив перерв роботи різця на його теплові деформації: 1 – охолодження різця; 2 – нагрівання різця при безперервній роботі; 3 – робота в умовах різання з перервами; ∆lмаш. – продовження різця за машинний час; ∆lпер. – зменшення довжини різця при охолодженні за час перерви
Видовження різця з пластиною із твердого сплаву Т15К6 при сталій тепловій рівновазі при t<1,5 мм,S<0,2 мм/об,ν= 100–200 м/хв можна визначати за емпіричною формулою [2]:
,де Lp – виліт різця, мм;
F – площа поперечного перерізу різця мм2;
σв– тимчасовий опір матеріалу заготовки, МПа;
t – глибина різання, мм;
So– подача, мм/об;
ν – швидкість різання, м/хв.
Видовження різця, що відповідає будь-якому моменту часу від початку роботи, визначають за формулою [2]:
.Якщо різання ведеться з перервами, то в залежності від тривалості перерви різець охолоджується частково або повністю. При такій роботі видовження Δℓn різця в момент настання теплової рівноваги буде меншим, ніж при безперервній його роботі і його можна визначити за формулою [2]:
де τo,τn– відповідно час роботи і час перерви в роботі різця.
Похибки, які викликаються деформаціями різального інструмента, можна практично виключити, якщо в зону різання подавати велику кількість охолоджуючої рідини.
Теплові деформації верстатів протікають порівняно повільно (1–4 години) причому їх частини нагріваються до відносно невисоких температур (приблизно 60°). Теплові деформації верстата мають найбільше значення в початковий період роботи. Після деякого часу вони стабілізуються (рис. 13). Наприклад, на безцентрово-шліфувальних верстатах теплові деформації призводять до зміщення шліфувального круга в бік заготовки на відстань до 0,12 мм, що значно перевищує точність 7-го квалітету (0,01–0,04 мм), за яким ведеться обробка заготовок на цьому верстаті.
Рис. 13. Горизонтальне зміщення осі передньої бабки токарного верстата від його нагрівання при роботі в центрах
Значні деформації (а тому й похибки) від дії теплового фактора можливі у оброблюваних заготовок, особливо при односторонній обробці довгих заготовок або при виготовленні тонкостінних деталей.
При рівномірному нагріванні змінюються тільки розміри заготовки, геометрична ж форма залишається незмінною. При нерівномірному нагріванні заготовки змінюються як її розміри, так і геометрична форма.
При зовнішній обробці в заготовки переходить до 10 % теплоти, основна кількість виноситься стружкою. Під час обробки отворів до 50 % теплоти залишається у заготовці. Наприклад, після свердління отвору Æ20 мм у чавунній втулці після охолодження заготовки спостерігається зменшення діаметра отвору на 0,02 мм, що відповідає відхиленню за 7-м квалітетом. Отже, якщо після свердління відразу виконати розвертання, то після охолодження розмір буде менший за потрібний.
Стрілу прогину Δ деталей типу плита, станина тощо від теплових деформацій можна визначити за формулою [2]:
де α – коефіцієнт теплового розширення;
L, H – відповідно довжина і висота заготовки;
Δt– перепад температур.
Необхідно зазначити, що теплові деформації системи впливають на точність при роботі на налагоджених верстатах (метод автоматичного одержання розмірів). При роботі за промірюваннями (метод пробних проходів і вимірювань) і з використанням засобів активного контролю теплові деформації компенсуються підналагодженням системи при обробці кожної заготовки.
Основними заходами для зменшення температурних деформацій є:
– застосування штучного охолодження з продуктивністю (л/хв), рівною 5–10- кратній потужності головного приводу верстата, кВт;
– збільшення швидкості різання при обробці металевим інструментом, завдяки чому більша частка тепла відводиться в стружку;
– шліфування деталей кругами великих діаметрів;
– закріплення оброблюваних заготовок з можливістю компенсації їх лінійних деформацій, наприклад, з використанням пружинних, гідравлічних або пневматичних задніх центрів на шліфувальних, багаторізцевих та інших верстатах;
–одностороннє жорстке закріплення довгих заготовок, з тим, щоб другий кінець міг переміщатись при подовженні через нагрівання;
–введення різного роду коректуючих пристосувань для компенсації температурних деформацій, а також штучної деформації заготовок при встановленні та закріпленні їх у напрямку, протилежному температурній деформації, в цілях її компенсації;
–правильне настроювання технологічної системи із врахуванням величини температурних деформацій та їх розташування у полі допуску.
5.6 Похибка обробки від внутрішніх напруг у матеріалі оброблюваної заготовки
Заготовки, з яких виготовляють деталі машин, завжди перебувають під дією внутрішніх напруг. Внутрішніми напругами (залишковими або власними) називають напруги, які існують в матеріалі заготовки або готової деталі за відсутності зовнішніх навантажень. Внутрішні напруги виникають або внаслідок нерівномірного нагрівання та остигання, або внаслідок дії механічних навантажень, що перевищують межу пластичності матеріалу.
Внутрішні напруги можуть виникати або в усьому об’ємі заготовки чи більшої її частини (напруги першого роду), або в мікроскопічних і ультрамікроскопічних зонах (напруги другого і третього роду).
Як правило, внутрішні напруги після зняття із заготовок чи деталей дії температур або механічних навантажень врівноважуються із зовні нічим не проявляються доти, поки ця рівновага не буде в якийсь спосіб порушена, наприклад, внаслідок зняття шару матеріалу в процесі механічної обробки, обробкою без зняття стружки, термічною або хімічною дією. Порушення стану рівноваги внутрішніх напруг призводить до їх перерозподілу і далі до деформації деталі, поки не настане новий врівноважений стан. Відбувається так зване жолоблення заготовки, яке призводить до викривлення осей або поверхонь, а також зміни стану поверхневого шару.
Найбільші внутрішні напруги виникають у литих заготовках внаслідок їх нерівномірного остигання, нерівномірного розподілу матеріалу, різної відстані від тепловідвідних поверхневих ділянок тощо. Ці напруги інколи такі великі (особливо у складних корпусних деталях), що у вихідній заготовці після остигання утворюються тріщини. Причиною внутрішніх напруг може бути також термічна обробка деталей і пов’язане з нею нерівномірне нагрівання та остигання.
Визначити кількісно величину похибки від внутрішніх напруг у кожному конкретному випадку неможливо. Тому для виключення похибок від цих напруг треба прагнути до того, щоб при механічній обробці їх усунути. Це досягається тим, що деталі після чорнових операцій піддаються природному або штучному старінню. Усунення напруг, які при природному старінні зменшуються поступово (спочатку скоріше, а потім повільніше), можна прискорити, піддаючи деталі ударам з різною частотою або вібраціям.
Нагріванням усуваються також внутрішні напруги у зварених заготовках і деталях, що піддавались термічній або пластичній обробці чи правці.
Чим точніша деталь, тим довший і дбайливійший повинен бути процес її старіння для повного усунення можливих похибок від внутрішніх напруг. При цьому враховуються також можливі похибки від внутрішніх напруг, що виникають у поверхневих шарах деталі під дією сил різання.
5.7 Похибки від пружних деформацій технологічної системи
Поняття про жорсткість та піддатливість технологічної системи
Технологічна система верстат – пристрій – інструмент – деталь представляє собою систему (рис. 14), деформації якої в процесі обробки обумовлюють виникнення систематичних та випадкових похибок розмірів і геометричної форми оброблюваних заготовок. Разом з тим, ця технологічна система є замкненою динамічною системою, здатною до збудження та підтримання вібрацій, що породжують похибки форми оброблюваних поверхонь (некруглість, хвилястість) і збільшують їх шорсткість.
При обробці в центрах на токарному верстаті гладкого вала (рис. 15) у початковий момент, біля різець знаходиться у правого кінця вала, вся нормальна складова Py зусилля різання передається через заготовку на задній центр, піноль і задню бабку верстата, викликаючи пружну деформацію названих елементів (згинання заднього центра і пінолі, відтискання yз.б корпусу задньої бабки) в напрямку "від робітника". Це призводить до збільшення відстані від вершини різця до осі обертання заготовки на величину yз.б і до відповідного збільшення радіуса оброблюваної заготовки.
Рис. 14. Спрощені моделі токарної (а) і фрезерної (б) пружних технологічних систем
Рис. 1 Пружні відтискання технологічної системи
Одночасно з цим під дією Py відбувається пружне відтискання уінстр. різця і супорта в напрямку "на робітника", що у свою чергу, тягне за собою збільшення відстані від вершини різця до осі обертання заготовки, а отже, і радіуса обробленого виробу. Таким чином, у початковий момент діаметр обробленої поверхні фактично виявляється більшим за діаметр, встановлений при настроюванні, на величину Δ = 2(уз.б + уінстр.). При подальшому обточуванні та переміщенні різця від задньої бабки до передньої відтискання задньої бабки зменшується, але виникає відтискання передньої бабки уп.б і оброблюваної заготовки узаг., які також збільшують фактичний діаметр обробки (рис. 15). В деякому перерізі А–А фактичний діаметр оброблюваної заготовки виявляється рівним [5]: