Точность станков в ненагруженном состоянии называют геометрической. В зависимости от точностной характеристики станки с ЧПУ подразделяют в порядке возрастания точности на четыре класса: нормальной Н ; повышенной П ; высокой В ; особо высокой А .
Станки повышенной точности отличаются от станков нормальной точности в основном более точным выполнением или подбором деталей, а также отдельными особенностями монтажа и эксплуатации у потребителей. Они обеспечивают точность обработки в среднем в пределах 0,6 отклонений, получаемых на станках нормальной точности. Станки с ЧПУ высокой точности класса В обеспечивают точность обработки в пределах 0,4, а станки класса А - в пределах 0,25 отклонений, получаемых на станках нормальной точности. Станки классов В и А получают в результате специального конструктивного исполнения, их узлов и элементов, а также высокой точности изготовления.
При проверке норм точности станков устанавливают* точность геометрических форм и относительного положения опорных поверхностей, базирующих заготовку и инструмент; точность движений по направляющим рабочих органов станка; точность расположения осей вращения и траекторий перемещений рабочих органов станка, несущих заготовку и инструмент, относительно друг друга и относительно базирующих поверхностей; точность обработанных поверхностей образца; шероховатость обработанных поверхностей образца.
Проверка точности
Точность станков с ЧПУ выявляется дополнительно следующими специфическими проверками: точностью линейного позиционирования рабочих органов; величиной зоны нечувствительности, т. е. отставанием в смещении рабочих органов при смене направления движения; точностью возврата рабочих органов в исходное положение; стабильностью выхода рабочих органов в заданную точку; точностью отработки круга в режиме круговой интерполяции; стабильностью положения инструментов после автоматической смены.
При проверках выявляют как точность, так и стабильность, т. е. многократную повторяемость прихода рабочих органов в одно и то же положение, причем зачастую стабильность важнее для достижения точности обработки на станках с ЧПУ, чем сама точность.
Общая допускаемая ошибка при позиционировании рабочих органов Δ р = Δ + δ.
Исходя из допускаемых отклонений, наибольшая погрешность в отработке перемещения, например, длиной в 300 мм по осям X и Y для станка класса П составит 17,2 мкм, а для станка класса В - 8,6 мкм.
Для сохранения станком точности в течение длительного времени эксплуатации нормы геометрической точности почти на все проверки при изготовлении станка, по сравнению с нормативными, ужесточают на 40 %. Тем самым завод-изготовитель резервирует в новом станке запас на износ.
ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ТОЧНОСТЬ ТОКАРНОГО
СТАНКА С ЧПУ
Доц, В.В. ДО ДОНОВ, доц. Ю.В. НИКУЛИН
В статье рассмотрены вопросы формирования точности токарных станков. Представлены экспериментальные методы оценки точности вращения шпиндельного узла по параметрам его круговых траекторий с приложением и без приложения к нему рабочих нагрузок; обсуждаются вопросы определения точности перемещения суппорта станка, влияние тепловых деформаций станка на его точность. Приводится схема измерительно-испытательной установки и результаты измерения параметров, характеризующих точность токарных станков
Questions of precision quality shaping of lathes are examined in this article. Experimental methods of an exactitude estimation of a head slide rotation on parameters of its circular trajectories with and without the application of working loadings are presented. Also questions of running accuracy of a planing tool box, influence of thermal strains of the machine tool on its exactitude are discussed. The scheme of measuring and presetting station and results of measurements on parameters describing exactitude of
lathes are presented in conclusion.
Повышение качества металлорежущих станков - одна из основных проблем современного машиностроения. Технологический процесс обработки резанием должен гарантированно обеспечивать заданное качество изготовления деталей в соответствии с установленными чертежами, технологическими требованиями. Важнейшая компонента, средство реализации технологического процесса - металлорежущий станок- это сложная прецизионная технологическая машина, формирующая показатели качества обрабатываемых на ней деталей. Уровень качества металлорежущего станка определяется, в основном, требованиями к точности обрабатываемых деталей - точность размеров, формы, взаимного расположения, обрабатываемых поверхностей, шероховатость, волнистость. Более высокие требования к станкам возникают при окончательной обработке, формирующей параметры жесткости обрабатываемого изделия. Ввиду этого показатели жесткости металлорежущего станка являются основными показателями, от реализации которых зависит эффективность его применения.
Испытания токарных станков на геометрическую и кинематическую точность включают проверки точности вращения шпинделя, прямолинейности направляющих, прямолинейности перемещения суппортов, оценивается правильность взаимного движения узлов станка, параллельность и перпендикулярность направляющих и оси шпинделя.
Испытания станков на статическую жесткость предусматривают измерение деформаций под рабочей нагрузкой узлов токарного станка - шпиндельного узла и суппорта. Динамические процессы в станке при обработке резанием измеряется при испытаниях станка на виброустойчивость , которая оказывает непосредственное влияние на точность формы обработанной детали, волнистость и шероховатость обработанной поверх-
ности. При повышении требований к точности обработки все более возрастающую роль в формировании точности обработки играть тепловые деформации .
Точности обработки на токарных станках во многом определяется геометрической точностью станков, геометрической точностью шпиндельного узла (ШУ), приво-
да продольной и поперечной подачи, несущей системой станка, что, в основном, определяет точность взаимного положения инструмента и детали в процессе обработки , .
Точность обработки на токарных станках определяется комплексным влиянием входящих в технологическую систему станка подсистем, факторов, компонент (рис. 1).
Рис. 1. Технологическая система станка
Точность металлорежущих станков определяется тремя группами показателей : 1) показатели, характеризующие точность обработки образцов изделий; 2) показатели, характеризующие геометрическую точность станков; 3) дополнительные показатели.
Геометрическая точность станка характеризуется такими группами показателей : точность траекторий перемещения рабочих органов станка, несущих заготовку и инструмент; точность расположения оси вращения и направления прямолинейных перемещений рабочих органов станка, несущих заготовку и инструмент, относительно друг друга и относительно баз; точность баз дня установки заготовки и инструмента; точность координатных перемещений (позиционирования) рабочих органов станка несущих заготовку и инструмент.
Предусмотренные стандартами и техническими условиями проверки геометрической точности отражают влияние точности станка на точность обработки.
Зажим, вращение и обработка изделия на токарном станке осуществляются с помощью шпиндельного узла.Токарный станок является основной подсистемой во многом определяющей качество обработки: точность, чистота поверхности, волнистость. Существенный вклад в формирование качества обработки вносят и другие подсистемы и факторы: погрешности приспособления, погрешности ШУ, точность работы приводов подачи станка, систем управления и измерения, свойства заготовки .
Максимальная точность обработки диаметральных размеров на современных токарных станках оценивается величинами 0,5,. Л мкм , поэтому при разработке основных формообразующих узлов токарного станка - ШУ и приводов продольной и поперечной подачи предъявляются очень жесткие требования, так как их геометрические погрешности должны быть меньше суммарного допуска на обработку.
Для экспериментального определения параметров и характеристик круговых траекторий ШУ, определяющих допустимую жесткость токарной обработки на кафедре станков и автоматов МГТУ им. Н.Э.Баумана разработана измерительная установка, схема которой представлена на рис. 2.
Схема испытательной установки
Тензометрический усилитель
Цифровой вольтметр
Цифровой вольтметр
Таблица координат по оси X
Таблица координат по оси У
Траектория
оси шпинделя
Рис. 2. Схема испытательной установки
В схему испытательной установки (информационно-измерительный канал (ИИК) круговые траектории (КТ)) входят следующие измерительные приборы и оборудование: датчики Д1-Д4 (первичные бесконтактные преобразователи информации индуктивного типа); тензометрический усилитель типа УТ4-1; аналого-цифровой преобразователь; персональная ЭВМ для сбора результатов эксперимента, обработки и отображения их на графическом мониторе, печатающем и графопострои-тельном устройствах; гидравлическое нагрузочное устройство (ГНУ), служащее для имитации сил резания. ГНУ, представляет собой два взаимно перпендикулярных нагружающих гидроцилиндра, закрепленные на общем кронштейне в суппорте испытуемого станка.
Испытательно-измерительная установка содержит два канала измерения: по координате X и по координате К Основные технические характеристики испытательно-измерительной установки:
диапазон измерения смещений оси ШУ по каждому каналу, мкм...........................20
диапазон частоты вращения ШУ, на которых осуществляется измерение,
об/мин..........................................................................................................................±6000
быстродействие первичных преобразователей, мс...............................................-0,003
максимальная погрешность измерения, мкм............................................................±0,5
Точность вращения шпинделя на холостом ходу станка зависит от математического ожидания и среднеквадратического отклонения значений эксцентриситетов для каждой /-ой опоры шпинделя от четырех видов погрешностей: биение шейки относительно его осей; биение дорожки качения внутреннего кольца подшипника относительно посадочного отверстия; биение дорожки качения наружного кольца подшипника относительно его наружной поверхности; несоосность посадочного отверстия под подшипник в шпиндельной бабке (пиноли).
отклонения
биения шпиндельного узла токарного станка СТП-125 дал следующие результаты:
влияющим на точность токарного станка является суммарная
кам сил резания задавались с помощью ГНУ
Сила резания Ру
Сила резания Ру
125 250 500 1000 2000
(шкапа неравномерная)
Перемещение по оси 1
Рис. 3. Графики зависимостей
В МГТУ им. Н.Э. Баумана, на кафедре металлорежущих станков был разработан стенд для измерения круговых траекторий (КТ) шпиндельного узла (ШУ). В качестве объекта испытаний был использован станок СТП-125. Были проведены пробные испытания ШУ по параметрам КТ,
Проведение предварительных испытаний. Условия проведения испытаний. Испытания проводились на разогретом в течение 2-3 часов станке при повороте ШУ вручную, при холостом ходе с разным числом оборотов вращения ШУ, под нагрузкой, создаваемой гидравлическим нагрузочным устройством (ГНУ). В последнем случае варьировали как числом оборотов л, так и величиной нагрузки Р (рис. 3), радиально нагружающей специальную оправку, вставленную в ШУ. Радиальные смещения ШУ измерялись вдоль координат А" и Ус помощью 4-х индуктивных бесконтактных преобразователей, работающих на несущей частоте 5200 Гц, Сигнал с индуктивных преобразователей поступал на четырехканальный тензоусилитель, а затем, после АЦП и ЭВМ, - на графопостроитель.
Результаты предварительных испытаний приведены на рис. 4-6. Испытания проводились на холостом ходу при п = 100 . На рис. 5 и 6 приведены типичные траектории оси ШУ, выведенные на экран ЭВМ.
Точность вращения шпинделя зависит от точности изготовления его деталей, точности подшипников, качества его сборки и регулировки. Погрешности вращения шпинделя, в первую очередь, определяются разностенностью колец подшипника и разноразмерное-
Рис. 4. Биение оси шпинделя на холостом ходе
Рис, 5. Траектория оси шпиндельного узла
Рис. 6. Траектория оси шпиндельного узла
тью тел качения. Эта погрешность у подшипников малых и средних размеров лежит в пределах 1...10 мкм (в зависимости от класса точности и размера подшипника).
Волнистость дорожек и геометрические погрешности тел качения вызывают меньшие смещения шпинделя порядка 0,1... 1 мкм и накладываются в виде высококачественных составляющих на погрешности от разностенности колец.
Еще более высокую частоту и меньшую амплитуду колебаний шпинделя вызывает шероховатость дорожек качения. Сложение этих колебаний вызывает сложную, комплексную картину перемещения оси шпинделя в пространстве (фигуры Лиссажу, перемещение оси шпинделя по гипоциклоиде или эпициклоиде с различным числом петель).
Большое влияние на точность вращения шпинделей станков, особенно высокоскоростных, оказывает остаточный дисбаланс, который определяется в [Н мм/Н] либо в виде эксцентриситета е в [мкм], который определяет действительное смещение центра тяжести шпинделя относительно оси вращения . Одеваемый на шпиндель патрон также должен быть отбалансирован .
Результаты испытаний на холостом ходу при проворачивании ШУ от руки вывести на ЭВМ не представляется возможным из-за особенностей программного обеспечения ЭВМ. Однако измерения радиального биения ШУ с помощью датчиков показало, что его численная величина находится в пределах 1,5-2,5 мкм по обеим координатам X и У и по своей величине несколько меньше соответствующего радиального биения при измерении ШУ на холостом ходу без нагрузки.
Испытания биения ШУ без нагрузки на холостом ходу проводились при различных числах оборотов ШУ: п = 10, 30, 70, 100, 160, 220, 300, 450, 600, 800, 1000, 1300, 2000 об/мин (рис. 7),
100 " 200 " 300 " 400 500 600 ,~700 " 8СО 900 " 1000 " 1100 " 1200 " 1300
Рис, 7. Биение шпиндельного узла на холостом ходу без нагрузки на различных оборотах вращения
Испытания показали, что с ростом числа оборотов ШУ радиальное биение монотонно возрастает до п = 500-600 об/мин, а затем скорость увеличения амплитуды радиального биения имеет тенденцию к некоторому увеличению. Измерения проводились при одетом патроне.
Шпиндельный узел представляет собой сложную механическую систему, состоящую из упругих элементов нескольких типов: подшипника, вала, фланцев, втулок, пружин, связанных между собой, воздействующих друг на друга и образующих единое техническое устройство, в котором протекают сложные процессы, каждый из которых может быть описан своей математической моделью .
Наиболее существенные модели: упругодеформационная, динамическая, вибрационная, трибологическая, тепловая, усталостного разрушения.
Входами этих моделей являются конструктивные и технологические факторы проектирования и изготовления шпинделя, условия эксплуатации. Выходные параметры моделей - это жесткость, вибрации, момент трения, быстроходность, технический ресурс, теплоустойчивость, усталостная долговечность и другие расчетные параметры, характеризующие в том числе и геометрическую точность станка и точность обработки на нем детали.
При испытании ШУ при снятом патроне с фиксированной частотой его вращения (п = 1000 1/мин) и нагрузке, которая задавалась гидравлическим нагрузочным устройством, круговая траектория ШУ несколько расширялась по своему среднему диаметру (увеличение Ах и Ду) и смещалась в направлении действия нагрузки
%=№ - р; (рис- 8)-
В результате предварительных испытаний определялась также зависимость амплитуды колебаний ШУ от частоты (АЧХ*). Исследования проводились с помощью специального анализатора спектра колебаний типа СК4-72 Сигнал поступал с датчиков перемещений на вход анализатора, строились АЧХ колебаний ШУ при различных частотах его вращения.
Амплитуды А и В АЧХ примерно соответствуют по частоте колебаниям ШУ от колебания жесткости, вызванного 18 опорами качения переднего подшипникового узла и колебаниями зубчатого приводного ремня.
При работе станка между заготовкой и инструментом возникают относительные колебания, вызывающие те или иные погрешности обработки. Для снижения уровня этих колебаний и по-
вышения устойчивости динамической системы станка проводят построения форм колебаний шпиндельного узла и суппорта. Форма колебаний характеризуется совокупностью отношений перемещений отдельных колеблющихся
точек упругой системы к перемещению какой-либо одной точки, взятых в определенный момент времени (с учетом сдвига фаз) для определения частоты и направления колебаний. Рабочий диапазон частоты колебаний находится обычно в пределах от 10 до 500 Гц.
Для повышения точности измерения желательно использовать избыточное число точек измерения вибраций. Вибрации измеряют, как правило, в 2--3-х взаимно перпендикулярных направле-
Рис. 8. Круговая траектория шпиндельного узла под
нагрузкой
Форму колебаний измеряют виброметрами, которые могут работать в режимах измерения виброперемещения, виброскорости и виброускорения. Первый режим используется в низкочастотной области (до 200 Гц), второй предпочтителен для частот (100-400 Гц), третий используется для более высокочастотных рабочих диапазонов виброметрирования.
Траектория какой-либо фиксированной точки на торце шпинделя с достаточно большим приближением отражает форму поперечного сечения обрабатываемой детали. Степень этого приближения определяется, кроме того, и радиальным смещением инструмента, закрепленного на суппорте при поперечной подаче и отклонениями траектории
суппорта от прямолинейного движения при продольной подаче.
Были определены теоретически и проверены экспериментально (рис, 9) данные о точности диаметральных размеров изготовляемой детали. Она зависит от точности позиционирования Д поз привода поперечной подачи, т.е. от отклонения действительного положения привода Х1 от заданного программой X при многократном двустроннем позиционирова-
нии, Методами математической статистики при испытаниях приводов определяются X л и
Средние арифметические значения положения привода при позиционировании в
среднее ар!
е того, определяются средние квадратические отклони ческое значение действительного положения привода.
X = (X п + X „)/2; За ■- величина зоны рассеивания;
/ - ! X + X . | - зона нечувствительности, возникающая при реверсе привода
поперечной подачи (рис. 9).
Измеренное на станке максимальное значение оказалось равной 5,5 мкм. Реальная погрешность от Д при обработке детали будет зависеть от диаметра обработки.
к Д поз, мкм
Рис. 9. График погрешностей двустороннего позиционирования револьверной головки станка СТП-125 при
поперечном перемещении
1. Разработана и опробована испытательно-измерительная установка для измерения параметров круговых траекторий шпиндельного узла токарного станка с ЧПУ.
2. В результате испытаний токарного станка СТП-125 получены результаты влияния внешних возмущающих воздействий (сил резания, смещения шпинделя) на параметры круговых траекторий шпиндельного узла.
3. Проведена оценка влияния погрешностей позиционирования поперечного суппорта на точность обработки.
4. Показаны пути и возможности диагностирования шпиндельного узла и суппортной группы токарного станка с ЧПУ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. VDI Richtlinien 2060, «Нормы для балансировки вращающихся твердых тел». -1980.
2. ГОСТ8-82Е, «Станки метет л о режу щи е. Общие требования к испытаниям на точность». - М.: Изд-во Стандартов, 1982. - 10 с.
3. Проников А. С. Программный метод испытания металлорежущих станков. - М.: Машиностроение, 1985. - 288 с.
4. Адаптивное управление станками. / Под ред. Балакшина. - М.: Машиностроение, 1973. - 688 с.
5. Конструкции и программные испытания шпиндельных узлов металлорежущих станков / Л.И. Вереина, В.В, Додонов. - М.: ВНИИТЭМР, 1991. - Вып. 1.
6. Фигатнер А.М. Расчет и конструирование шпиндельных узлов с подшипниками качения металлорежущих станков. - М.: НИИМАШ, серия С-1, 1971.
7. Расчет высокоскоростных шпиндельных узлов / В.Б. Бальмонт. - М.: ВНИИТЭМР, 1987. - Сер. I. - Вып. 1. - 52 с.
Критерий жесткости в машинах наряду с критерием прочности является одним из важнейших. Его роль непрерывно растет, с одной стороны, в связи с повышением требований к точности, с другой стороны, в связи с отставанием роста модуля упругости материалов от роста их прочностных характеристик. В станкостроении критерий жесткости имеет особо большое значение, так как наряду с геометрической и кинематической точностью жесткость станков обуславливает точность обработанных деталей.
Под точностью обработки понимается степень соответствия формы и размеров детали формам и размерам, заданным чертежом. Полное их соответствие может быть у идеальной детали с абсолютно точными размерами и геометрически правильными поверхностями. Однако, реальные детали никогда в точности не соответствуют заданным, всегда есть отклонения. Поэтому принято точность характеризовать величиной погрешности, т. е. отклонением реальной детали от заданной. Соответственно различают погрешности формы деталей и размеров. Погрешность формы представляет ошибку взаимного расположения поверхности детали. Это может быть не прямоугольность, не плоскостность и не прямолинейность кромок, а также их не параллельность. Цилиндрические детали могут быть выполнены конусными, овальными, бочкообразными.
Учитывая, что значительная номенклатура деталей изготавливается из труднообрабатываемых материалов, в связи, с чем удельный вес погрешностей обработки, вызываемых недостаточной жесткостью в балансе точности станка возрастает.
Под жесткостью системы станка вдоль данной оси понимают отношение составляющей силы резания по этой оси к упругому перемещению в этом же направлении от равнодействующей силы резания. Упругие деформации приводят к неправильному контакту деталей и к резкому ухудшению их совместной работе. Важнейшим условием хорошей работы подшипников, зубчатых и червячных передач является малость концентрации нагрузки, определяемая упругими деформациями валов.
Определение показателя жесткости является также актуальной задачей при входном контроле вновь приобретаемого металлорежущего оборудования и для оценки качества станков после ремонта и модернизации.
Узлы работающего станка подвергаются воздействию сил резания, трения, инерции; сил, вызываемых весом обрабатываемых заготовок и технологической оснастки; сил, возникающих при закреплении заготовок. Под действием этих сил возникают упругие деформации деталей, входящих в узел, и деформации стыков. Соответственно различают собственную и контактную жесткость.
Узлы станка, несущие заготовку и инструмент, являются основными узлами, определяющими их взаимное расположение в процессе обработки под действием вышеуказанных сил, и определяют точность обработанных деталей. Поэтому жесткость основных узлов определяет жесткость станка в целом.
Для станков токарной группы с ЧПУ ГОСТ устанавливает в качестве показателя жесткости относительное перемещение под нагрузкой закрепленной на шпинделе оправки относительно револьверной головки.
При статическом методе испытания на жёсткость нагрузки, действующие на оправку в шпинделе и револьверную головку, имитируются приближенно, так как при этом не создаётся крутящий момент и осевая составляющая силы резания.
Нагружение системы силой Р производится в плоскости, перпендикулярной оси вращения шпинделя, под углом 60° к направлению поперечной подачи.
При испытаниях токарных станков на жесткость производят искусственное нагружение, имитирующее результирующую составляющих сил резания Pz , Py, Px. Статическое нагружение создают специальным устройством, конструкция и техническая характеристика которого должна соответствовать типу и размеру станка.
Относительные перемещения измеряют индикатором часового типа (МИГ) с ценой деления 1мкм и диапазоном измерения, превышающим в 1.5-2 раза предельно допустимое значение этих перемещений.
Список литературы
- Испытания и исследования металлорежущих станков: методические указания к лабораторным работам / сост. Ю. В. Кирилин. - Ульяновск: УлГТУ, 2012. - 48 с.
- Металлорежущие станки и автоматы. Учебник для ВУЗов. Под ред. А.С.Проникова - М.: Машиностроение. 1981г.
- Ресурсы сети Internet.
Выходные
параметры станка по показателю точности
При оценке качества итехнического уровня станка в первую очередь необходимо установить те выходные параметры, которые характеризуют его точность. При этом точность обработанных на станке деталей не может быть выбрана в качестве такого параметра, так как она является результатом влияния всех компонентов технологической системы (инструмента, заготовки и др.). Поэтому при проектировании станка надо установить и регламентировать те параметры, которые определяют точность обработки и являются входными для технологической системы (см. рис. 2.1).
Качество станка зависит от того, с какой степенью точности выполняются заложенные в технологическом процессе обработки взаимные перемещения инструмента и заготовки при воздействии на станок всего комплекса силовых и тепловых факторов. Поэтому основными выходными параметрами станка как элемента технологической системы являются характеристики точности движения его формообразующих узлов.
Получать эти характеристики можно одним из следующих способов.
1.Оценивать те параметры траекторий формообразующих узлов станка, которые влияют на точность обработки. При этом траектории относятся к установочным базам станка, определяющим положение приспособления, заготовки или инструмента.
2.Оценивать суммарное влияние параметров траекторий рабочих органов станка на формирование так называемого «геометрического образа» обработанной детали, когда определены ее погрешности без учета влияния на точность других компонентов технологической системы.
Основная цель регламентации выходных параметров станка - создание такого технологического оборудования, погрешность работы которого находилась бы в течение всего периода эксплуатации в пределах, установленных технологом.
Траектории формообразующих узлов, параметры которых устанавливают в качестве выходных, относятся к специально выбранным опорным точкам, которые располагают на установочных базах станка, определяющих положение заготовки, приспособления или инструмента. Число опорных точек и их расположение связано с методом обработки, конструктивной схемой станка, характером движения его формообразующих органов и методом крепления заготовки и инструмента.
Поскольку положение твердого тела в пространстве определяют три фиксированные точки или параметры пространственного вектора, отнесенного к одной точке, то в общем виде необходимо установить шесть координат (например, три линейных и три угловых отклонения вектора данной точки от заданного положения). Однако при рассмотрении различных конструкций формообразующих узлов станка число этих характеристик может быть уменьшено, если отдельные отклонения не оказывают существенного влияния (слагаемые второго порядка малости) на точность обработки.
Рис. 2.3. Опорные точки формообразующих узлов станка:
а
- суппорт; б
- стол; в
- шпиндель
На рис. 2.3 показаны типичные случаи выбора опорных точек. Для характеристики точностных параметров суппорта токарного станка достаточно одной опорной точки 1, совпадающей с вершиной резца (рис. 2.3, а), поскольку целью при создании конструкции суппорта является стремление к обеспечению прямолинейной траектории для инструмента, которая не изменяет своей формы и положения при силовых воздействиях и различных положениях инструмента в рабочем пространстве. Траектория данной опорной точки будет служить характеристикой возможностей суппорта по обработке заданной номенклатуры деталей с обеспечением точности размера, формы обработанной поверхности, волнистости, шероховатости и других показателей точности.
При движении стола с закрепленной на нем заготовкой
(рис. 2.3,
б)
у фрезерных , расточных, шлифовальных и других станков
необходимо оценить точность перемещения стола в пространстве. Положение
заготовки или приспособления для ее закрепления определяется положением в
пространстве плоскости стола. Поэтому в общем случае должны быть установлены
либо три опорные точки 1
, 2, 3,
траектории движения которых
рассматривают, либо рассматривают вектор для одной из точек стола с
характеристиками его положения в пространстве в каждой точке траектории (три
линейных и три угловых отклонения от заданного положения при пространственном
перемещении стола).
Для шпиндельного узла (рис. 2.3, в) точность его вращения и изменение положения оси шпинделя связаны с геометрической погрешностью элементов узла, с силовыми и тепловыми деформациями. Все это влияет на положение инструмента или заготовки, установленной в шпинделе с помощью приспособления (патрона, центра).
Когда положение патрона определяет плоскость
переднего торца шпинделя, три фиксированные точки располагают на этой плоскости
или, что более целесообразно, определяют для точки, находящейся в центре шпинделя,
положение в пространстве вектора
R
,
перпендикулярного к плоскости установочной базы. Характеристики траекторий
опорных точек формообразующих узлов определяют качество станка с позиций
возможного достижения точности обработки и его вклада в суммарную погрешность
обработки .
Рис. 2.4. Типичные ансамбли траекторий при поступательном движении
рабочего органа станка
При осуществлении на станке различных технологических процессов (в соответствии с его назначением и степенью универсальности) траектории опорных точек проявляются как случайные функции и образуют совокупности (ансамбли) траекторий. Такие совокупности могут иметь различный вид, характеризующий статистическую природу явлений (например, с сильным или слабым перемешиванием реализаций или с другими особенностями). На рис. 2.4 показаны типичные совокупности траекторий при поступательном движении рабочих органов станка (суппортов, столов, ползунов и др.).
Широкополосные ансамбли траекторий (рис.2.4, а) характерны для случая, когда основное влияние на форму траектории и ее смещение по отношению к средней линии или к неподвижной оси координат оказывают внешние силовые воздействия. Узкополосные ансамбли траекторий (рис. 2.4, б) характерны при превалирующем влиянии геометрической погрешности направляющих, что и определяет форму кривой математического ожидания траекторий М X . Дисперсия, связанная с силовыми воздействиями на узел, здесь играет второстепенную роль. Миграция совокупностей траекторий (рис. 2.4, в) вызвана, как правило, тепловыми деформациями узла.
Каждая реализация любой совокупности связана с параметрами точности той конкретной детали, которую при этом обрабатывали, а характеристики всего ансамбля влияют на точностные характеристики партии обработанных на станке деталей. Поэтому для каждой конкретной модели станка в зависимости от его назначения необходимо установить и регламентировать те параметры траекторий, которые определяют те или иные виды погрешностей, возникающие на обработанных поверхностях.
Как известно , погрешность обработки подразделяют на пять основных видов: погрешность размеров, отклонения расположения поверхностей, отклонения формы, отклонение параметров волнистости и шероховатости поверхности.
При назначении номенклатуры параметров траекторий рабочих органов станка учитывается их взаимосвязь с погрешностью обработки, которая зависит от метода обработки и кинематики процесса формообразования.
На рис. 2.5 показаны типичные траектории при поступательном движении формообразующего узла станка. Их параметры (Х 1 , Х 2 , ..., Х п), определяющие соответствующую погрешность обработки, приведены в табл. 2.2. Эти параметры связаны с размером и формой обработанной поверхности, точностью взаимного положения поверхностей, волнистостью и шероховатостью поверхности.
2.2. Выходные параметры станка по показателю точности
Для вращательного движения характерна передача погрешностей траектории опорной точки шпинделя (ее формы и высокочастотных составляющих) на обработанную поверхность цилиндрической детали (рис. 2.6).
Для периодических кривых разложение траектории в ряд Фурье позволяет выделить те параметры, которые определяют форму, волнистость и шероховатость обработанных поверхностей при токарной, расточной, шлифовальной и других операциях.
Анализ траекторий целесообразно осуществлять, рассматривая отклонение
текущего радиуса R от номинального R0 в полярной системе координат, и
определять
где f (φ) - погрешность траектории в функции текущего угла φ.
Разложим данную функцию в ряд Фурье с ограниченным числом членов:
где Сk - амплитуда k-гармоники; φ -начальная
фаза; n - порядковый номер высшей гармоники полинома. Согласно теории Фурье
нулевой член Со разложения является средним значением функции f(φ) за период 2π:
поэтому Со определяет значение погрешности размера.
Рис. 2.5. Типичные виды реализаций траекторий при поступательном
движении
Первый член разложения C1cos(φ+φ) выражает несовпадение центра вращения
шпинделя в О" с геометрическим центром траекторий О, т. е. эксцентриситет е =
ОО", что определяет погрешность в отклонении расположения обработанных цилиндрических
поверхностей (рис. 2.6, б). Остальные члены ряда, начиная со второго,
определяют характеристику формы, которую образуют траектории и которая
непосредственно связана с формой обработанной детали (овальностью и огранкой).
Рис. 2.6. Форма поперечного
сечения обработанной цилиндрической поверхности (а) и траектория движения
опорной точки шпинделя (б):
1- форма поверхности; 2
-
волнистость;
3
- шероховатость; R
д - номинальный радиус обработанной детали
При выборе номенклатуры выходных параметров данной модели станка и установлении их допустимых значений необходимо учитывать следующее.
1.Чем выше класс точности станка и требования к точности обработанных поверхностей, тем большее число назначают выходных параметров (характеристик траекторий формообразующих узлов) станка.
2.Допустимые значения выходных параметров станка составляют часть соответствующего допуска на изготовление детали, поскольку погрешность обработки зависит от всех компонентов технологической системы.
3.Расчет доли суммарной погрешности, приходящейся на станок и другие компоненты технологической системы, осуществляется методами, применяемыми в технологии машиностроения для расчета точности обработки
В первом приближении можно принимать допустимое значение для выходного параметра станка как долю от соответствующего допуска на точность изготовления детали, равную 6 = 0,4...0,8, учитывая степень влияния других компонентов технологической системы и давая запас на возможное изменение параметров станка в процессе эксплуатации.
Для прецизионных станков значение k принимается большим, так как в этом случае станок играет основную роль в обеспечении точности обработки.
Точность является основным показателем станка, однако для оценки его
технического уровня и полной характеристики его качества необходимо применять
показатели, определяющие весь диапазон требований, предъявляемых к станку
потребителем.