Закономерности, действующих в процессе изготовления машин

Чебоксарский институт (филиал) МГОУ Кафедра технологии машиностроения     Основы технологии машиностроения  Конспект лекций Автор конспекта лекций – кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология машиностроения» ЧИ(Ф) МГУ Мишин В.А.     ВВЕДЕНИЕ   Цель дисциплины – изучение закономерностей, действующих в процессе изготовления машин. Задачи изучения дисциплины. В результате изучения дисциплины необходимо усвоить: • основные термины и определения; • связи в машине и производственном процессе ее изготовления; • теорию базирования; • теорию размерных цепей; • пути реализации размерных связей в машине в процессе ее сборки; • пути формирования требуемых свойств материала и размерных связей детали в процессе ее изготовления; • временные связи в производственном процессе; • основы разработки технологического процесса механической обработки детали машины.   Основная литература   1. Базирование и базы в машиностроении. Термины и определения. ГОСТ 21496. Изд-во стандартов, 1982, 35с. 2. Балакшин Б.С. Основы технологии машиностроения. М.: Машиностроение, 1969. 358с. 3. Балакшин Б.С. Теория и практика технологии машиностроения. В 2-хкн. М.: Машиностроение, 1982. Кн.1. 283с.; Кн.2. 269с. 4. Допуски и посадки: Справочник. В 2-х ч. В.Д. Мягков, М.А. Палей, А.Б. Романов, В.А. Брагинский. Л.: Машиностроение, 1983. Ч1. 543 с.; Ч.2 448с. 5. Колесов И.М. Основы технологии машиностроения: Учебник для машиностроительных вузов. – М.: Машиностроение, 1997.- 592с.: ISBN 5-217-02692-8. 6. Марков Н.Н. Взаимозаменяемость и технические измерения. Учебник. М.: Изд-во стандартов, 1983. 288с. 7. Маталин А.А. Технология машиностроения: Учебник для машиностроительных вузов по специальности «Технология машиностроения, металлорежущие станки и инструменты». Л.: Машиностроение, 1985. 512с. 8. Материаловедение: Учебник для высших технических заведений / Б.Н.Арзамасов, И.И.Сидорин, Г.Ф. Косолапов и др. ; Под общ. Ред. Б.Н. Арзамасов. Изд. 2-е, испр. и доп. М.: Машиностроение, 1986. 786 с. 9. Митрофанов С.П. Групповая технология машиностроительного производства. В 2-х т. Л.: Машиностроение, 1983. 786с. 10. Новиков М.П. Основы технологии сборки машин и механизмов. М.: Машиностроение, 1980. 592с. 11. Основы технологии машиностроения: Учебник для вузов / Под ред. В.С.Корсакова. Изд. 3-е доп. и перераб. М.: Машиностроение, 1977, 416с. 12. Подураев В.Н. Технология физико-химических методов обработки. М.: Машиностроение, 1985. 264с. 13. Пугачев В.С. Теория вероятности и математическая статистика: Учеб. Пособие для вузов. М.: Наука, 1979. 496с. 14. Размерный анализ технологических процессов / В.В.Матвеев, М.М.Тверской, Ф.И.Бойков и др. М.: Машиностроение, 1982. 264с. 15. Справочник инструментальщика/ И.А.Ординарцев, Г.В.Филлипов, А.Н. Шевченко и др.; Под общ. ред. И.А. Ординарцева. Л.: Машиностроение, 1987. 846с. 16. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. / Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К.Мещерякова. М.: Машиностроение. 1985. Т1.656с.; Т2. 496с. 17. Технологичность конструкции изделий: Справочник / Под ред. Д.Адамирова. М.: Машиностроение, 1985. 368с. 18. Технология машиностроения (специальная часть): Учебник для машиностроительных специальностей вузов /А.А.Гусев, Е.Р.Ковальчук, И.М.Колесов и др. М.: Машиностроение, 1986. 480 с. 19. Цепи размерные. Основные понятия, методы расчета линейных и угловых цепей. Методические указания РД 50-635-87 / И.М.Колесов, Е.И.Луцков, А.И.Кубарев и др. М.: Изд-во стандартов. 10876. 42с. 20. Якушев А.И., Воронцов Л.Н., Федотов Н.М. Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения: Учебник для вузов. Изд. 6-е, перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1987. 352с. 21. Технология машиностроения: В 2 кн. Кн.1.2.Основы технологии машиностроения: Учеб. Пособ. Для вузов\ Э.Л.Жуков и др..; Под ред. С.Л.Мурашкина. –М.: Высш.шк.,2003.- Лекция 1   1. Основные положения и понятия в технологии машиностроения   В природе существует ничтожно малое количество предметов, которые может использовать человек непосредственно без преобразования. Поэтому человеку приходиться приспосабливать предметы природы для удовлетворения своих потребностей. Современный человек стремиться преобразования предметов природы выполнять с помощью машин. Человеческое общество постоянно испытывает потребности в новых видах продукции, либо в сокращении затрат труда при изготовлении освоенной продукции. Эти потребности могут быть удовлетворены с помощью новых технологических процессов и новых машин. Таким образом, стимулом к созданию новой машины всегда является новый технологический процесс. Машина полезна лишь, если она обладает требуемым качеством и, т.о., способна удовлетворять потребность людей. Ресурсы труда в жизни человеческого общества представляют собой наивысшую ценность. Создавая машину, человек ставит перед собой две задачи: 1. создать машину качественной 2. затратить меньшее количество труда при создании машины Замысел новой машины возникает при разработке технологического процесса изготовления продукции, в производстве которой возникла потребность. Этот замысел выражается в формулировке служебного назначения, которая является исходным документом для проектируемой машины. Процесс создания машины состоит из двух этапов: 1. проектирование 2. изготовление В результате проектирования появляются чертежи машины. В результате изготовления с помощью производственного процесса появляется машина. Второй этап и составляет основную задачу технологии машиностроения. Создание машины можно представить в виде схемы (рис.1.1). Изготовление машины связано с использованием различных способов обработки металлов. История возникновения металлообработки в России мало исследована, однако известно, что: • в X в. Русские ремесленники обладали высокой техникой изготовления оружия, предметов обихода и т.п.; • в XII в. Русские оружейники применяли сверлильные и токарные устройства с ручным приводом и вращательным движением инструмента или заготовки; • в XIV – XVI в.в. использовались токарные и сверлильные устройства с приводом от ветряной мельницы; • в XVI в. в селе Павлове на Оке и в окрестностях г. Тулы существовала металлообрабатывающая промышленность; • А.И.Нартов (1718—1725) создал механический суппорт для токарного станка; • М.В. Сидоров (1714) на тульском оружейном заводе создал «вододействующие» машины для сверления оружейных стволов; • Яков Батищев построил станок для одновременного сверления 24 ружейных стволов; • М.В.Ломоносов (1711-1765) построил лоботокарные, сферотокарные и шлифовальные станки; • И.И.Ползунов (1728-1764) построил цилиндрорасточные и др. станки для обработки деталей паровых котлов; • И.П.Кулибин (1735-1818) построил станки для изготовления зубчатых колес часовых механизмов; • в конце XIX и начале XX в.в. на некоторых предприятиях начали указывать на рабочих чертежах допуски на изготовление деталей. Рис. 1.1. Создание машины   Зарождение технологии машиностроения, как отрасли науки связывают появлением трудов, содержащих описание опыта производство процесса. Впервые сформулировал положение о технологии и определил, что «технология – наука о ремеслах и заводах» в 1804 г. Академик В.М.Севергин. А в 1817 г. Впервые был изложен опыт производства профессором Московского университета И.А. Двигубским в книге «Начальные основания технологии или краткое описание работ, на заводах и фабриках производимых». Дальнейшее описание выполнено Тиме И.А. (1838-1920 г.г.) в первом капитальном труде «Основы машиностроения. Организация машиностроительных фабрик в техническом и экономическом отношении и производство в них работ», вышедшим в 1885 г. Позже Гавриленко А.П. (1861-1914г.г.) создал курс «Технология металлов». Затем появились работы не просто обобщающие опыт, но и выявляющие общие зависимости и закономерности. Соколовский А.П. в 1930-1932 г.г. издал первый труд по технологии машиностроения. В 1933 г. Появился труд Каширина А.И. «Основы проектирования технологических процессов» и «Теория размерных цепей», разработанная Балакшиным Б.С., а в 1935г. – «Технология автотракторостроения», в котором Кован В.М. и Бородачев Н.А. занимались анализом качества и точности производства. Исследованием жесткости, применительно к станкам, в 1936 г. занимался Вотинов К.В. Работы ЗыковаА.А. и Яхина А.Б. положили начало анализу причин возникновения погрешностей при обработке. В 1959 г. Кован В.М. разработал методику расчета припусков. Исследования в области технологии машиностроения продолжили Глейзер Л.А., Корсаков В.С., Колесов И.М., Чарнко Д.В. и др., Технология машиностроения как наука (в современном понимании) прошла в своем развитии несколько этапов. Маталин А.А., автор одного из учебников по технологии машиностроения, выделяет четыре этапа. Первый этап (до1929-1930 г.г.) характеризуется накоплением отечественного и зарубежного производственного опыта изготовления машин. Публикуются описания процессов обработки различных деталей, применяемого оборудования и инструментов. Издаются руководящие и нормативные материалы ведомственных проектных организаций страны. Второй этап (1930-1941 г.г.) характеризуется обобщением и систематизацией накопленного производственного опыта и началом разработки общих научных принципов построения технологических процессов. Третий этап (1941-1970 г.г.) отличается интенсивным развитием технологии машиностроения, разработкой новых технологических идей и формированием научных основ технологической науки. Четвертый этап – с 1970 г. По настоящее время отличается широким использованием достижений фундаментальных и общеинженерных наук для решения теоретических проблем и практических задач технологии машиностроения. Современное представление технологии машиностроения – это отрасль технической науки, которая изучает связи и закономерности в производственных процессах изготовления машин. Конструкция любой машины – сложная система двух видов сопряженных множеств связей: 1. свойств материалов; 2. размерных. Для реализации такой системы связей должен быть создан и осуществлен производственный процесс, который представляет собой другую систему сопряженных множеств связей: 1. свойств материалов (нужны для создания аналогичных связей в машине во время производственного процесса); 2. размерных; 3. информационных (для управления производственным процессом); 4. временных и экономических (производственный процесс не может осуществляться вне времени и без затрат живого и овеществленного труда). Таким образом, создание машины сведены к построению двух систем связей (рис.1.2): 1. конструкции машины; 2. производственного процесса изготовления. Рис.1.2. Системы связей в машине   1.1. Понятие о машине и ее служебное назначении Машина- устройство, предназначенное для действия в нем сил природы сообразно потребностям человека. В настоящее время понятие «машина» имеет ряд смыслов:  машина — механизм или сочетание механизмов, выполняющих движение для преобразования энергии, материалов или производства – с точки зрения механики;  машина – доменная печь (Менделеев Д.И.);  машина (с появлением ЭВМ) – механизм или сочетание механизмов, осуществляющих определенные целесообразные движения для преобразования энергии, выполнения работы или же для сбора, передачи, хранения, обработки и использования информации. И, наконец, с точки зрения технологии машиностроения: машина является либо объектом, либо средством производства. Поэтому машина – система, созданная трудом человека, для качественного преобразования исходного продукта в полезную для человека продукцию (рис.1.3). Исходный продукт процесса – предметы природы, сырье или полуфабрикат. Сырье – предмет труда, на добычу или производство которого, был затрачен труд. Полуфабрикат – сырье, которое подвергалось обработке, но не может быть потреблено как готовый продукт. Продукция – это результат производства в виде сырья, полуфабриката, созданных материальных и культурных благ или выполненных работ производственного характера (табл. 1.1). Рис. 1.3. Машина – средство производства   Таблица 1.1. Преобразования машинами исходного продукта в продукцию Исходный продукт Энергия Машина Продукция Заготовка Электроэнергия Станок Деталь Груз Механическая Автомобиль Перевезенный груз Ткань, нить Механическая Швейная машина Шов Эл. магнитные волны Электрическая Телевизор Изображение и звук Задача Электрическая ЭВМ Решенная задача Энергия сгораемого топлива Расширения газов Двигатель внутреннего сгорания Механическая энергия   Каждая машина создается для выполнения определенного процесса, т.е. имеет свое, строго определенное предназначение, иными словами — свое служебное назначение. Под служебным назначением машины понимают четко сформулированную задачу, для решения которой предназначена машина. Формулировка служебного назначения машины должна содержать подробные сведения, конкретизирующие общую задачу и уточняющие условия, при которых эта задача может быть решена. Например, автомобиль или обувь: Автомобиль Обувь Сведений только о перевозке грузов недостаточно, чтобы представить нужный автомобиль. Необходимо знать: характер грузов, их массу и объем, условия, расстояние и скорость перевозки, состояние дорог, климат, внешний вид и т.д. Сведения о защите ног недостаточно, чтобы удовлетворить потребность в обуви. Необходимо знать: размер, климат, время года, состояние дорог, внешний вид и т.д.   Служебное назначение машины описывают не только словесно, но и системой количественных показателей, определяющих ее конкретные функции, условия работы и т.д. Формулировка служебного назначения машины является важнейшим документом в задании на ее проектирование.   1.2. Качество и экономичность машины   Машина (как рассматривали выше) либо средство производства, либо объект производства – продукция. Поэтому машина, являясь одной из разновидностей продукции, обладает качеством и экономичностью. Под качеством машины понимают совокупность ее свойств, обуславливающих способность выполнять свое служебное назначение. К показателям качества машины относят те, которые характеризуют меру полезности машины, т.е. ее способность удовлетворять потребности людей в соответствии со своим назначением. К ним относятся:  качество продукции производимой машиной;  производительность;  надежность;  долговечность (физическая и моральная);  безопасность работы;  удобство управления;  уровень шума;  КПД;  степень механизации и автоматизации;  техническая эстетичность и т.п. Проектирование машины, ее изготовление, эксплуатация, техническое обслуживание и ремонт связано с конкретными затратами труда и материалов, энергии, технических средств. Все затраты образуют стоимостное свойство машины – ее экономичность. , где: — затраты на проектирование; — затраты на изготовление — затраты на эксплуатацию; — затраты на техническое обслуживание; - затраты на ремонт; — количество продукции, произведенной машиной за ее срок службы. Между качеством и экономичностью машины существуют связи, приводящие к влиянию одних на другие. Например:  повышение качества по любому показателю связано с увеличением ее стоимости;  в то же время повышение уровня надежности машины, сокращает затраты на устранение отказов, технического обслуживания и ремонт. Потребление машиной энергии, топлива, материалов при эксплуатации, в известной мере, характеризующее экономичность машины, во многом зависит от качества ее изготовления и т.п. Показатели качества отражают степень пригодности, полезности, те блага, которые извлекает человек, используя свою машину. Экономичность – цена этих благ, их стоимость. Качество машин обеспечивается уровнем проектных решений, от которого зависит техническое совершенство конструкции машины и технологией, определяющей качество сборки и отделки машины. Экономичность машины зависит от технического совершенства конструкции машины и технологии ее изготовления. Стоимость машины зависит от качества, количества и стоимости материалов, выбранных конструктором в процессе проектирования. Конечные затраты на материалы, входящие в себестоимость, можно определить лишь уровень после осуществления технического процесса ее изготовления. Уровень унификации и технологичности машины определяет конструктор. Влияние этих факторов на себестоимость машины проявляется не прямым путем, а через технологию ее изготовления. Эти же факторы оказывают влияние на затраты по технологическому обслуживанию и ремонту. Экономическими показателями являются потребление машиной энергии, потребление машиной топлива, потребление машиной материалов в процессе эксплуатации. Но вместе с тем, на значение этих показателей влияет качество реализации технологического процесса и т.д. Таким образом, обеспечение качества и экономичность машины в процессе ее создания является общей задачей конструктора и технолога. Проблема создания качественных и экономичных машин является важнейшей и наиболее сложной. Сложно не только создание конструкции машины, но и обеспечение ее качества и экономичности при конструировании и изготовлении, так как любая машина создается для выполнения процесса, наделенного вероятностными свойствами, а изготовление сопровождается явлениями случайного характера Лекция 2 Типы производства, формы организации и виды технологических процессов Типы производства Тип производства — классификационная категория производства, выделяемая по признакам широты номенклатуры, регулярности, стабильности и объема выпуска изделий. Объем выпуска изделий — количество изделий определенных наименования, типоразмера и исполнения, изготовленных или ремонтируемых объединением, предприятием или его подразделением в течение планируемого интервала времени. Реализуют следующие типы производства: единичное; серийное; массовое. Одной из основных характеристик типа производства является коэффициент закрепления операций. Коэффициент закрепления операций — отношение числа всех различных технологических операций, выполненных или подлежащих выполнению в течение месяца, к числу рабочих мест. Единичное производство — производство, характеризуемое широкой номенклатурой изготовляемых или ремонтируемых изделий и малым объемом выпуска изделий. В единичном производстве изделия изготовляются единичными экземплярами, разнообразными по конструкции или размерам, причем повторяемость этих изделий редка или совсем отсутствует (турбостроение, судостроение). В этом типе производства, как правило, используется универсальные оборудование, приспособления и измерительный инструмент, рабочие имеют высокую квалификацию, сборка производится с использованием слесарно-пригоночных работ, т. е. по месту и т. п. Станки располагаются по признаку однородности обработки, т. е. создаются участки станков, предназначенных для одного вида обработки — токарных, строгальных, фрезерных и др. Коэффициент закрепления операций > 40. Серийное производство — производство, характеризуемое ограниченной номенклатурой изделий, изготовляемых или ремонтируемых периодически повторяющимися партиями выпуска. В зависимости от количества изделий в партии или серии и значение коэффициента закрепления операций различают мелкосерийное, среднесерийное и крупносерийное производство. Коэффициент закрепления операций в соответствии со стандартом .принимают равным: а) для мелкосерийного производства — свыше 20 до 40 включительно; б) для среднесерийного производства — свыше 10 до 20 включительно; в) для крупносерийного производства — свыше 1 до 10 включительно. Основные признаки серийного производства: 1) станки применяются разнообразных типов: универсальные, специализированные, специальные, автоматизированные; 2) кадры различной квалификации; 3) работа может производиться на настроенных станках; 4) применяется и разметка, и специальные приспособления; 5) сборка без пригонки и т. д. Оборудование располагается в соответствии с предметной формой организации работы. Станки располагаются в последовательности технологических операций для одной или нескольких деталей, требующих одинакового порядка выполнения операций. В той же последовательности, очевидно, образуется и движение деталей (так называемые, предметно-замкнутые участки). Обработка заготовок производится партиями. При этом время выполнения операций на отдельных станках может быть не согласовано со временем операций на других станках. Изготовленные детали хранятся во время работы у станков и затем транспортируются всей партией. Массовое производство — производство, характеризуемое узкой номенклатурой и большим объемом выпуска изделий, непрерывно изготовляемых или ремонтируемых в течение продолжительного времени. Коэффициент закрепления операций для массового производства принимают равным единице. Таким образом, изделия изготовляются в большом количестве длительное время, конструкция изделия меняется плавно. Рабочая сила низкой квалификации при наличии настройщиков, оборудование автоматизированное, полная взаимозаменяемость при сборке. Массовому производству присуща поточная форма организации производства, при которой операции обработки или сборки машины закреплены за определенным оборудованием или рабочими местами, оборудование расположено в порядке выполнения операций, а изготовляемая деталь передается с одной операции на следующую сразу после выполнения предшествующей операции, как правило, с помощью специальных транспортных устройств. Формы организации технологических процессов В соответствии со стандартами СРПП устанавливается две формы организации технологических процессов: групповая; поточная. Групповая форма организации техпроцессов характеризуется однородностью конструктивно-технологических признаков изделий, единством средств технологического оснащения одной или нескольких технологических операций и специализацией рабочих мест. Или иначе, групповая форма — это форма организации производства, характеризуемая совместным изготовлением или ремонтом групп изделий различной конфигурации на специализированных рабочих местах. Основой при групповой форме организации техпроцессов должно быть группирование изделий по конструктивно-технологическим признакам. По результатам анализа классификационных групп изделий и показателей относительной трудоемкости устанавливается профиль специализации каждого структурного подразделения (цеха, участка) и т. д. Kgi — показатель относительной трудоемкости; tшт — штучное время i-й деталеоперации, нормоминуты; к0 — число операций по технологическому процессу обработки i-го изделия, мин; Кв — средний коэффициент выполнения норм времени; ri = Fp 60/ N - такт производства i-го изделия, мин; Fp — фонд времени в планируемый период, ч; Ni — программа выпуска i-го изделия в планируемом периоде, шт. Поточная организация производства характеризуется расположением технологического оснащения в последовательности выполнения операций технологического процесса и специализации рабочих мест. Поточную форму организации техпроцессов в зависимости от номенклатуры одновременно обрабатываемых изделий подразделяют Рис. 2.1. Способы расположения оборудования в поточных линиях на однономенклатурную поточную линию; многономенклатурную поточную линию. Примеры способов расположения оборудования в поточных линиях показаны на рис. 2.1. Виды технологических процессов По степени унификации различают следующие виды технологических процессов: единичный; типовой; групповой. Вид технологического процесса определяется количеством изделий, охватываемых процессом (одно изделие, группы однотипных изделий). Наименование процессов устанавливают по стандартам СРПП. Единичный технологический процесс — технологический процесс, относящийся к изделиям одного наименования, типоразмера и исполнения, независимо от типа производства (применяется для изготовления изделий одного наименования, типоразмера и исполнения независимо от типа производства). Типовой технологический процесс — технологический процесс, характеризуемый единством содержания и последовательности большинства технологических операций и переходов для группы изделий с общими конструктивными признаками. Типовой процесс применяется: а) как информационная основа при разработке рабочего технологического процесса; б) как рабочий технологический процесс при наличии всей необходимой информации для изготовления детали, или как база для разработки стандартов на типовые технологические процессы. Типовой технологический процесс может являться совокупностью типовых технологических операций, которые характеризуются единством содержания и последовательности технологических переходов для группы изделий с общими конструктивными признаками. Групповой технологический процесс — технологический процесс, характеризуемый единством методов обработки с использованием однородных и быстро переналаживаемых приспособлений для групп изделий даже с разными конструктивными признаками. Групповой технологический процесс может состоять из групповых технологических операций, которые являются общими для групп различных деталей с определенной групповой оснасткой на данном оборудовании. Таким образом, групповой технологический процесс — это совокупность групповых технологических операций, обеспечивающих изготовление различных деталей группы (или нескольких групп) по общему технологическому маршруту. Каждый вид технологических процессов характеризуется следующими признаками: а) основным назначением процесса: рабочий, перспективный; б) степенью детализации содержания процесса: маршрутный, операционный, маршрутно-операционный. Рабочий технологический процесс — технологический процесс, выполняемый по рабочей и (или) конструкторской документации (применяется: для изготовления в соответствии с требованиями рабочей технической документации). Перспективный технологический процесс — технологический процесс, соответствующий современным достижениям науки и техники, методы и средства осуществления которого полностью или частично предстоит освоить на предприятии (используются как информационная основа для разработки рабочих технологических процессов при техническом и организационном перевооружении производства; рассчитан на применение более совершенных методов обработки, более производительных и экономически эффективных средств технологического оснащения и изменения принципов организации производства). Маршрутный технологический процесс — технологический процесс, выполняемый по документации, в которой содержание операций приводится без указания переходов и режимов обработки (технологический маршрут — последовательность прохождения заготовки, детали или сборочной единицы по подразделениям предприятия при выполнении технологического процесса изготовления или ремонта). Операционный технологический процесс — технологический процесс, выполняемый по документации, в которой содержание операций излагается с указанием переходов и режимов обработки. Маршрутно-операционный технологический процесс — технологический процесс, выполняемый по документации, в которой содержание отдельных операций излагается без указания переходов и режимов обработки. 2.2. СТРУКТУРА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГОПРОЦЕССА И ЕГО ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ Готовые изделия (детали, сборочные единицы, комплексы и комплекты) получают из материалов и полуфабрикатов в результате осуществления отдельных процессов, совокупность которых составляет процесс производственный — совокупность всех действий людей и орудий труда, необходимых на данном предприятии для изготовления или ремонта продукции. Все определения, касающиеся структуры технологического процесса, даны ниже в соответствии со стандартом ГОСТ 3.1109—82 (Процессы технологические, основные термины и определения). Технологический процесс — часть производственного процесса, содержащая целенаправленные действия по изменению и (или) последующему определению состояния предмета труда; таким образом, при реализации технологического процесса происходит изменение качественного состояния объекта производства (химических и физических свойств материала, форм, размеров, качества поверхности, внешнего вида объекта и т. д.; в техпроцесс включен также контроль качества); Операция — законченная часть технологического процесса, выполняемая на одном рабочем месте (или с использованием одной технологической системы). Установ — часть технологической операции, выполняемая при неизменном закреплении обрабатываемой заготовки или собираемой сборочной единицы. Технологический переход — законченная часть технологической операции, выполняемая одними и теми же средствами технологического оснащения при постоянных технологических режимах и установке. Вспомогательный переход — законченная часть технологической операции, состоящая из действий человека и (или) оборудования, которые не сопровождаются изменением формы, размеров и шероховатости поверхности, но необходимы для выполнения технологического перехода. Рабочий ход — законченная часть технологического перехода, состоящая из однократного перемещения инструмента относительно заготовки, сопровождаемого изменением формы, размеров, качества поверхности и свойств заготовки. Вспомогательный ход — законченная часть технологического перехода, состоящая из однократного перемещения инструмента относительно заготовки, но необходимая для выполнения рабочего хода. Позиция — фиксированное положение, занимаемое неизменно закрепленной заготовкой или собираемой сборочной единицей совместно с приспособлением относительно инструмента или неподвижной части оборудования для выполнения определенной части операции. При разработке маршрута изготовления детали и его структуры рекомендуется следующая последовательность работы: — выбрать тип заготовки; — произвести технологическую разметку чертежа, пронумеровав все поверхности, подвергаемые механической обработке; — в соответствии с рекомендациями таблиц среднеэкономических достижимых точностей обработки выбрать для каждой из пронумерованных поверхностей требуемое количество операций (переходов); — составить из выбранных таким образом операций маршрут изготовления детали и представить его в виде табл. 2.1; Таблица 2.1 Маршрут изготовления вала Номер операции Наименование операций и их краткое содержание Оборудование 05 Фрезерно-центровальная Фрезеровать торцы 7 и 2 и сверлить центровые отверстия 3 и 4 Фрезерно-центровальный станок 10 Токарная Точить поверхности 5, 6 и 7 Токарный станок 15 Вертикально-фрезерная Фрезеровать шпоночный паз 8 Вертикально-фрезерный станок 20 Круглошлифовальная Шлифовать поверхности 5,6 и 7 Круглошлифовальный станок Примечание: В таблице приведена только номенклатура необходимых операций, а не их количество, которое зависит от точности каждой обрабатываемой поверхности Рис. 2.2. Эскиз вала Рис. 2.3. Структурная схема технологического процесса — в соответствии с примером разработать структурную схему маршрута изготовления детали (рис.2.2). Необходимо отметить, что для упрощения маршрута изготовления вала на его эскизе не полностью приведены его элементы и технические требования. Название и краткое содержание операций, представленных в таблице, соответствуют требованиям стандарта ЕСТД (Правила записи операций и переходов. Обработка резанием). На рис. 2.3 показана структурная схема маршрута для изготовления вала. При построении этой схемы, для расчета количества рабочих ходов можно воспользоваться следующими ориентировочными значениями максимальных глубин резания: при токарной обработке наружных, внутренних цилиндрических и торцовых поверхностей —4 мм; при фрезеровании плоскостей —5 мм; при зенкеровании —2 мм; при развертывании —0,2 мм; при шлифовании —0,3 мм (при поперечной подаче шлифовального круга 0,005...0,015 мм) на двойной ход или оборот. Характеристики технологического процесса Стандарты ЕСТД устанавливают следующие основные характеристики технологических процессов: — цикл технологической операции — интервал календарного времени от начала до конца периодически повторяющейся технологической операции независимо от числа одновременно изготовляемых или ремонтируемых изделий; — такт выпуска — интервал времени, через который периодически производится выпуск изделий определенного наименования типоразмера и исполнения; — ритм выпуска — количество изделий определенного наименования типоразмера и исполнения, выпускаемых в единицу времени; — норма времени — регламентируемое время выполнения некоторого объема работ в определенных производственных условиях одним или несколькими исполнителями соответствующей квалификации; — норма выработки — регламентированное количество деталей, которое должно быть изготовлено в единицу времени; — штучное время — интервал времени, равный отношению цикла технологической операции к числу одновременно изготовляемых или ремонтируемых изделий или равный календарному времени сборочной операции; — технологическая себестоимость изготовления детали по всем операциям технологического процесса (цеховая себестоимость) где L — основная заработная плата производственных рабочих; Z— сумма всех остальных цеховых расходов. Лекция 3 3.1.ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ 1. Принцип технологичности конструкции заключается в том, что при разработке конструкции детали учитываются как условия ее эксплуатации в машине, так и технологические требования при ее производстве. После разработки изделия технологами производится анализ технологичности деталей, входящих в это изделие. Ниже приведены некоторые критерии технологичности машины в целом: — отношение количества стандартных деталей к общему количеству; — наличие в машине унифицированных узлов; — преемственность конструкции; — возможность осуществления сборки машины из отдельных узлов; — соответствие применяемых методов изготовления заготовки условиям данного производства (выбор метода сборки для данного объема выпуска и типа производства должен производиться на основании расчета и анализа размерных цепей; расчет размерных цепей следует проводить используя методы max — min или вероятностный [max — min при количестве звеньев п < 5, при п > 5 — вероятностный]); — конструкция детали должна обеспечивать возможность применения типовых и стандартных технологических процессов ее изготовления. 2. Принцип деления обработки на стадии. При черновой обработке основной задачей является быстрое удаление максимально возможного припуска, при этом деталь подвергается значительным силовым и тепловым деформациям. На стадии чистовой обработки закладывается, в основном, требуемая точность детали. Отделочная обработка обеспечивает получение требуемых шероховатости и физико-механических свойств поверхностного слоя. В настоящее время отступают от этого принципа на основе использования жесткого и точного оборудования, жестких и точных заготовок, позволяющих за один ход получать высокую точность. 3. Принцип независимости обработки, требующий такого построения технологического процесса, при котором исключается необходимость дополнительной обработки при сборке. Это не всегда выполнимо. Бывает, что взаимозаменяемость неэкономична и тогда прибегают к неполной (ограниченной) взаимозаменяемости: а) обработка в сборе; б) работа по формуляру и пр. 4. Принцип концентрации технологических операций предусматривает концентрацию операций, объединение простых операций в одну сложную, выполнение всех операций на одном рабочем месте. Это усложнение операции может производиться за счет повышения квалификации рабочего (в единичном и мелкосерийном производствах); усовершенствования, автоматизации станков, использования многошпиндельных автоматов и полуавтоматов, агрегатных, многопозиционных и многорезцовых станков (в массовом и крупносерийных производствах). Концентрация операций упрощает планирование, резко повышает производительность труда за счет сокращения времени обработки. 5. Принцип дифференциации операций. Технологический процесс дифференцируется (расчленяется) на элементарные операции. Естественно простые операции требуют более низкой квалификации рабочего, упрощают возможность механизации и автоматизации их. Дифференциация экономически целесообразна в массовом производстве. В современном производстве машин эти две тенденции концентрация и дифференциация существуют параллельно. Используются также и комбинированные решения. 3.2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ СБОРКИ Сборка — образование соединений составных частей изделия. Соединения могут быть разъемными и неразъемными (соединение свинчиванием, запресовыванием, сваркой, склеиванием и пр.). Сборочные работы составляют значительную долю общей трудоемкости изготовления машины. В зависимости от типа производства трудоемкость сборки составляет от (20...30) % в массовом и до (30...40) % в единичном производстве. Основная часть слесарно-сборочных работ представляет собой ручные работы, требующие боль­ших затрат физического труда и высокой квалификации рабочих. Вышеизложенное показывает, что при изготовлении машины сборке принадлежит ведущая роль. Технологические процессы изготовления деталей в большинстве случаев подчинены технологии сборки машины. Следовательно, сначала должна разрабатываться технология сборки машины, а затем — технология изготовления деталей. В зависимости от условий, типа и организации производства сборка имеет различные организационные формы (поточную и непоточную, стационарную и подвижную, узловую и общую). Технологический процесс сборки представляет собой часть производственного процесса, содержащую действия по установке и образованию соединений, составных частей изделия. Технологический процесс сборки обычно разрабатывают поэтапно: — в зависимости от объема выпуска (заданной программы) устанавливается целесообразная организационная форма сборки, определяются ее такт и ритм; — осуществляется технологический анализ сборочных чертежей для отработки конструкции на технологичность; — производятся размерный анализ конструкций, расчет размерных цепей и разрабатываются методы достижения точности сборки (полная, неполная, групповая взаимозаменяемость, регулировка и пригонка); — определяется целесообразная степень дифференциации или концентрации сборочных операций; — устанавливается последовательность соединения всех сборочных единиц и деталей изделия и составляются технологические схемы узловой и общей сборки; — разрабатываются (или выбираются) наиболее производительные, экономичные и технически обоснованные способы сборки, способы контроля и испытаний; — разрабатываются (или выбираются) необходимое технологическое или вспомогательное оборудование и технологическая оснастка (приспособления, режущий инструмент, монтажное и контрольное оборудование); — производятся техническое нормирование сборочных работ и определение экономических показателей; — разрабатывается планировка, оборудование рабочих мест и оформляется техническая документация на сборку. Одним из основных этапов проектирования, в большой степени определяющих эффективность технологических процессов сборки, является анализ технологичности конструкции. В соответствии со стандартами ЕСТПП требования к технологичности сборочной единицы разбиты на 3 группы: 1) требования к составу сборочной единицы; 2) требования к конструкции соединения составных частей; 3) требования к точности и методу сборки. Требования к составу сборочной единицы: — сборочная единица должна расчленяться на рациональное число составных частей с учетом принципа агрегатирования; — конструкция сборочной единицы должна обеспечивать возможность компоновки из стандартных и унифицированных частей; — сборка изделия не должна обусловливать применение сложного технологического оснащения; — виды используемых соединений, их конструкции и месторасположение должны соответствовать требованиям механизации и автоматизации сборочных работ; — в конструкции сборочной единицы и ее составных частей, имеющих массу более 20 кг, должны предусматриваться конструктивные элементы для удобного захвата грузоподъемными средствами, используемыми в процессе сборки, разборки и транспортирования; — конструкция сборочной единицы должна предусматривать базовую составную часть, которая является основой для расположения остальных составных частей; — компоновка конструкции сборочной единицы должна позволять производить сборку при неизменном базировании составных частей; — в конструкции базовой составной части необходимо предусматривать возможность использования конструктивных сборочных баз в качестве технологических и измерительных; — компоновка сборочной единицы должна обеспечивать общую сборку без промежуточной разборки и повторных сборок составных частей; — компоновка составных частей сборочной единицы должна обеспечивать удобный доступ к местам, требующим контроля, регулировки и проведения других работ, регламентированных технологией подготовки изделия к функционированию и техническому обслуживанию; — компоновка сборочной единицы должна предусматривать рациональное расположение такелажных узлов, монтажных опор и других устройств для обеспечения транспортабельности изделия. Требования к конструкции соединений составных частей: — количество поверхностей и мест соединений составных частей в общем случае должно быть наименьшим; — места соединений составных частей должны быть доступны для механизации сборочных работ и контроля качества соединений; — соединение составных частей не должно требовать сложной и необоснованно точной обработки сопрягаемых поверхностей; — конструкции соединений составных частей не должны требовать дополнительной обработки в процессе сборки. Требования к точности и методу сборки: — точность расположения составных частей должна быть обоснована и взаимосвязана с точностью изготовления составных частей; — выбор места сборки для данного объема выпуска и типа производства должен производиться на основании расчета и анализа размерных цепей; — расчет размерных цепей следует производить, используя методы максимума-минимума — метод полной взаимозаменяемости, или, основанный на теории вероятностей, метод неполной взаимозаменяемости. В качестве примечания можно отметить, что стандарт рекомендует применять метод максимума-минимума только при расчете коротких размерных цепей (менее пяти) с высокой точностью замыкающего звена или многозвенных размерных цепей с малой точностью замыкающего звена. В большинстве случаев, при решении сборочных размерных цепей рекомендуется применять метод неполной взаимозаменяемости. В зависимости от типа производства используются также другие методы достижения точности замыкающего звена: метод групповой взаимозаменяемости; метод регулирования; метод пригонки. Метод полной взаимозаменяемости экономично применять в крупносерийном и массовом производстве. Основан метод на расчете размерных цепей на максимум-минимум. Метод прост и обеспечивает 100 %-ную взаимозаменяемость. Недостаток метода — уменьше­ние допусков на составляющие звенья, что приводит к увеличению себестоимости изготовления и трудоемкости. Метод неполной взаимозаменяемости заключается в том, что допуски на размеры деталей, составляющие размерную цепь, преднамеренно расширяют для удешевления производства. В основе метода лежит положение теории вероятности, согласно которому крайние значения погрешностей, составляющих звеньев размерной цепи встречаются значительно реже, чем средние значения. Такая сборка целесообразна в серийном и массовом производствах при многозвенных цепях. Метод групповой взаимозаменяемости применяют при сборке соединений высокой точности, когда точность сборки практически недостижима методом полной взаимозаменяемости (например, шарикоподшипники). В этом случае детали изготовляют по расширенным допускам и сортируют в зависимости от размеров на группы так, чтобы при соединении деталей, входящих в группу, было обеспечено достижение установленного конструктором допуска замыкающего звена. Недостатками данной сборки являются: дополнительные затраты на сортировку деталей по группам и на организацию хранения и учета деталей; усложнение работы планово-диспетчерской службы. Сборка методом групповой взаимозаменяемости применяется в массовом и крупносерийном производствах при сборке соединений, Рис.3.1. Размерная цепь для межосе­вого расстояния цилиндрической зубчатой передачи Рис. 3.2. Размерная цепь для полови­ны бокового зазора цилиндрической зубчатой передачи обеспечение точности которых другими методами потребует больших затрат. Сборка методом пригонки трудоемка и применяется в единичном и мелкосерийном производствах. Метод регулирования имеет преимущество перед методом пригонки, так как не требует дополнительных затрат и применяется в мелко- и среднесерийном производствах. Разновидностью метода компенсации погрешностей является способ сборки плоскостных соединений с применением компенсирующего материала (например, пластмассовой прослойки). ЛЕКЦИЯ 4   4. Теория размерных цепей   Размерные цепи отражают объективные размерные связи в конструкции машины, технологических процессах изготовления ее детали и сборки, при измерении, возникающие в соответствии с условиями решаемых задач.   4.1. Основные понятия и определения   Размерная цепь – совокупность размеров, непосредственно участвующих в решении поставленной задачи и образующих замкнутый контур. Обозначаются размерные цепи прописными буквами русского алфавита () и строчными буквами греческого алфавита (, …, кроме , , , ,). Размеры, образующие размерную цепь, называют звеньями размерной цепи. Одно звено в размерной цепи замыкающее (исходное), а остальные – составляющие. Замыкающим (исходным) звеном размерной цепи называют звено, получающееся последним или первым (исходным) при ее построении. Замыкающее (исходное) звено отличается значком - (рис.4.1). Составляющим звеном размерной цепи называют звено размерной цепи, функционально связаны с замыкающим звеном. Составляющие звенья, в зависимости от их влияния на замыкающее звено, бывают увеличивающие или уменьшающие: Увеличивающим звеном называется звено, при увеличении которого, замыкающее звено увеличивается. Такое звено обозначается стрелочкой слева направо над буквой - (рис.4.1). Уменьшающим звеном называется звено, при увеличении которого, замыкающее звено уменьшается. Такое звено обозначается стрелочкой справа налево над буквой - (рис.4.1). Компенсирующее звено – звено, за счет изменения величины которого, достигается требуемая точность замыкающее звено. Выделяется такое звено заключением его в квадрат (рис.4.1). Общее звено – звено, одновременно принадлежащее нескольким размерным цепям. В его обозначении используются столько букв, звеньями скольких цепей оно является – . Рис.4.1. Размерная цепь   Размерные цепи удобно классифицировать по характеру решаемой задачи, содержанию, характеру звеньев, геометрическому представлению и виду связи. Схематично классификация представлена на рис.4.2. Рис.4.2. Классификация размерных цепей   По характеру решаемой задачи размерные цепи различают конструкторские, технологические, измерительные. Конструкторская размерная цепь – размерная цепь, определяющая расстояние или относительный поворот поверхностей (осей) в деталях. Примером конструкторской размерной цепи служит размерная цепь, приведенная на рис.8.1. Технологические размерные цепи – размерные цепи, обеспечивающие требуемые расстояние или относительный поворот поверхностей изделия в процессе их изготовления. Технологические размерные цепи бывают первого и второго рода. К технологическим цепям первого рода относят технологические системы, связывающие между собой оборудование (станок), приспособление, инструмент и деталь - ОПИД. Пример подобной технологической системы приведен на рис.8.3, где – оборудование (станок) – – приспособление – ; – инструмент – ; – деталь - . Замыкающим звеном технологической цепи первого рода () является звено, заключенное между режущей кромкой инструмента и базой (или соответствующими осями). Так в цепи, приведенной на рис.8.3, звено , является замыкающим и принадлежит детали; звеньям принадлежат станку (являются конструктивными элементами станка); звенья принадлежат приспособлению (являются конструктивными элементами приспособления или другой технологической оснастки); звено принадлежит инструменту (ширина дисковой фрезы). Изображать технологическую цепь первого рода можно подробно (рис.8.3 а) или упрощенно (рис.4.3 б). Рис.4.3. Технологическая размерная цепь первого рода: а) – подробное изображение технологической цепи первого рода; б) – упрощенное изображение технологической цепи первого рода   К технологическим цепям второго рода относятся размерные цепи, связывающие отдельные операции, переходы (цепи первого рода). Для того чтобы выявить технологическую цепь второго рода, необходимо проанализировать весь технологический процесс изготовления детали, от операции, на которой заканчивается решение поставленной задачи, до начала технологического процесса. На рис.4.4 представлен анализ технологического процесса изготовления валика, у которого необходимо обеспечить длину ступени . При изготовлении валика в решении поставленной задачи участвуют цепи первого и второго рода. К цепям второго рода относятся размерная цепь , которая связывает операции (переходы) получения левой и правой шеек валика; и размерная цепь , которая связывает операции (переходы) получения одной из шеек и торцов заготовки. Размерные цепи являются цепями первого рода. Рис. 4.4. Технологические цепи второго рода   Измерительная размерная цепь – цепь, с помощью которой познается значение измеряемого размера, относительного поворота, расстояния поверхностей или их осей изготовленного или изготавливаемого изделия (рис.4.5). Рис.4.5. Измерительная размерная цепь   Если рассматривать измерение как процесс, то можно встретить цепи первого и второго рода так же, как и в технологическом процессе (рис.4.6). По содержанию размерные цепи бывают основные и производные. Основная размерная цепь – цепь, замыкающим звеном которой является размер (расстояние, относительный поворот), обеспечиваемый в соответствии с решением основной задачи (цепь на рис.4.3). Производная размерная цепь – цепь, замыкающим звеном которой является одно из составляющих звеньев основной размерной цепи (цепи и на рис.4.3). Производная размерная цепь раскрывает содержание составляющего звена основной размерной цепи. По характеру звеньев размерные цепи бывают линейные и угловые. Рис.4.6. Познание размера   Линейная размерная цепь – цепь, звеньями которой являются линейные размеры. Они обозначаются прописными буквами русского алфавита () и двусторонней стрелочкой. Угловая размерная цепь – цепь, звеньями которой являются угловые параметры. Они обозначаются строчными буквами греческого алфавита () и односторонней стрелочкой (рис. 4.3). По геометрическому представлению цепи бывают плоские и пространственные. Плоская размерная цепь – цепь, звенья которой расположены в одной или нескольких параллельных плоскостях. Пространственная размерная цепь — цепь, звенья которой расположены в непараллельных плоскостях. По виду связей размерные цепи бывают параллельные, последовательно и параллельно-последовательно связанные. Параллельно связанные цепи – цепи, имеющие одно или несколько общих звеньев (рис.4.7 а). Последовательно связанные цепи – цепи, в которых каждая последующая имеет одну общую базу с предыдущей (рис.4.7 б). Параллельно последовательно связанные цепи (комбинированные) – цепи, имеющие оба вида связей (рис.4.7 в). Рис.4.7. Различные виды связей размерных цепей   4.2. Постановка задачи и выявление размерной цепи   Выявление размерной цепи в практике использования теории размерных цепей, является наиболее сложным. Каждой задаче соответствует только одна, единственная размерная цепь. Выявление любой размерной цепи начинается с нахождения ее замыкающего звена. Смысл задачи, возникающей при конструировании, изготовлении или измерении изделия связывается с замыкающим звеном. При конструировании изделия переход от поставленной задачи к нахождению замыкающего звена заключается в выявлении такого линейного или углового размера, от значения которого полностью зависит решение поставленной задачи. При изготовлении изделия замыкающим звеном размерной цепи является размер, точность которого должна быть обеспечена технологическим процессом. При измерении замыкающим звеном является измеренный размер. Допуск замыкающего звена устанавливается следующим образом: • в конструкторских размерных цепях исходя из служебного назначения; • в технологических размерных цепях в соответствии с допуском, который необходимо получить в результате осуществления технологического процесса; • в измерительных размерных цепях исходя из требуемой точности измерения. Выявив замыкающее звено, приступают к нахождению составляющих звеньев размерной цепи. Составляющими звеньями конструкторских размерных цепей могут быть: • расстояния (относительные повороты) между поверхностями (их осями) деталей, образующих замыкающее звено, и основными базами этих деталей; • расстояния (относительные повороты) между поверхностями вспомогательных и основных баз деталей, непосредственно участвующих в решении поставленной задачи своими размерами. Для нахождения размерной цепи следует идти от поверхностей( или их осей) деталей, образующих замыкающее звено, к основным базам этих деталей, от них – к основным базам деталей, базирующих первые детали, до образования замкнутого контура (рис.8.8). Несовпадения (зазоры, несоосности) основных и вспомогательных баз соединяемых деталей учитываются отдельными звеньями. Рис.4.8. Выявление размерной цепи. ЛЕКЦИЯ 5   5. Методы расчета размерных цепей. Методы достижения точности   5.1. Методы расчета размерных цепей   Размерные цепи являются одной из разновидностей связей, действующих в машине и производственном процессе ее изготовления. Поэтому все теоретические положения о связях распространяются на размерные цепи в той же мере, как и на другие виды связей. Количественную связь замыкающего звена с составляющими звеньями отражает уравнение размерной цепи: Из схемы плоской размерной цепи А с параллельными звеньями (рис5.1) видно, что номинальное значение замыкающего звена равно алгебраической сумме номинальных значений составляющих звеньев, в которой увеличивающие звенья имеют знак "+", а уменьшающие - знак "-": . Рис.5.1.Плоская размерная цепь с параллельными звеньями   Влияние составляющих звеньев на замыкающее звено можно учесть в уравнении размерной цепи с помощью передаточных отношений. Это дает возможность записать уравнение размерной цепи в общем виде: , где — порядковый номер составляющего звена; — передаточное отношение i-го составляющего звена; для плоских размерных цепей с параллельными звеньями; = 1 для увеличивающих составляющих звеньев, = –1 для уменьшающих составляющих звеньев. Согласно количественной связи средних значений функции и аргументов, рассмотренных выше, среднее значение замыкающего звена может быть определено: Для рассматриваемой размерной цепи (рис.9.1), уравнение будет показано выглядеть так: . Но среднее допустимое значение любой величины может быть выражено через ее номинальное значение и координату середины поля допуска:, поэтому: . Вычитая из этого уравнения уравнение номиналов размерной цепи получим уравнение координат середин полей допусков: . Координата середины поля допуска замыкающего звена плоской размерной цепи с параллельными звеньями равна алгебраической сумме координат середин полей допусков составляющих звеньев с учетом их собственных знаков, т.е. , или Все рассуждения, касающиеся координат середин полей допусков, в полной мере распространяются и на координаты середин полей рассеяния. Поэтому по аналогии будем иметь или . При расчетах полей допусков или полей рассеяния могут быть использованы два метода: 1. расчет на максимум—минимум; 2. вероятностный расчет.   5.1.1. Метод расчета на максимум—минимум   Метод расчета на максимум—минимум учитывает только предельные отклонения звеньев размерной цепи и самые неблагоприятные их сочетания. Например, в размерной цепи показанной на рис.9.2, предельные отклонения замыкающего звена будут при следующих сочетаниях предельных отклонений составляющих звеньев: ; . Вычитая почленно из первого равенства второе, получим . Но разность верхнего и нижнего предельных отклонений какой-то величины есть поле допуска, в пределах которого допустимы ее отклонения, поэтому . Это положение действительно и для размерных цепей с числом составляющих звеньев , что дает право записать формулу в общем виде: , где – число составляющих звеньев в размерной цепи. Рис.5.2. Размерная цепь и допуски, ограничивающие отклонения ее звеньев   При суммировании допусков учитывают абсолютные значения передаточных отношений, поскольку значения полей допусков всегда положительны. Это значит, что для плоских размерных цепей с параллельными звеньями , так как = 1. Таким образом, поле допуска замыкающего звена плоской размерной цепи с параллельными звеньями равно сумме абсолютных значений полей допусков всех составляющих звеньев. Формула, учитывающая связь поля рассеяния значений замыкающего звена (его отклонений) с полями рассеяния значений составляющих звеньев (их отклонений), может быть получена путем аналогичных рассуждений. Таким образом, поле рассеяния замыкающего звена может быть определено: ; для плоских размерных цепей с параллельными звеньями .   5.1.2. Теоретико-вероятностный метод расчета   Вероятностный метод расчета учитывает рассеяние размеров и вероятность различных сочетаний отклонений составляющих звеньев размерной цепи. Теоретическую основу для установления связи между полем допуска замыкающего звена и полями допусков составляющих звеньев размерной цепи дают положения теории вероятностей, касающиеся функции случайных аргументов. Согласно этим положениям , где - коэффициент риска, характеризующий процент выхода значений замыкающего звена (его отклонений) за пределы установленного на него допуска; - коэффициент, характеризующий выбираемый теоретический закон рассеяния значений — го составляющего звена (его отклонений). Возможное поле рассеяния замыкающего звена при известных полях рассеяния , составляющих звеньев, коэффициентах , и выбранном коэффициенте можно рассчитать по формуле . В плоских размерных цепях, имеющих звенья, расположенные под углом к выбранному направлению, каждое из таких звеньев можно заменить его проекцией на это направление. Тем самым любую плоскую размерную цепь можно привести к размерной цепи с параллельно расположенными звеньями. 5.2. Методы достижения точности замыкающего звена.   Методы полной и неполной взаимозаменяемости   Обеспечение точности создаваемой машины сводится к достижению требуемой точности замыкающих звеньев размерных цепей, заложенных в ее конструкцию, и размерных цепей, возникающих в процессе изготовления машины. Задача обеспечения требуемой точности замыкающего звена в зависимости от предъявляемых к нему требований, типа и условий производства может быть решена экономично одним из пяти методов: полной, неполной, групповой взаимозаменяемости, пригонки или регулирования.   5.2.1. Метод полной взаимозаменяемости   Сущность метода заключается в том, что требуемая точность замыкающего звена размерной цепи достигается во всех случаях ее реализации путем включения в нее составляющих звеньев без выбора, подбора или изменения их значений. Сборка изделий при использовании метода полной взаимозаменяемости сводится к механическому соединению взаимозаменяемых деталей. При этом у 100 % собираемых объектов автоматически обеспечивается требуемая точность замыкающих звеньев размерных цепей. При изготовлении партии деталей на станке метод полной взаимозаменяемости обеспечивает надлежащую точность замыкающих звеньев технологических размерных цепей. Благодаря этому точность выдерживаемых размеров у деталей всей партии будет соответствовать установленному допуску. Можно привести много примеров использования метода полной взаимозаменяемости как в машиностроении, так и в бытовой технике (взаимозаменяемые детали и узлы автомобилей, телевизоров, холодильников, взаимозаменяемые шарико- и роликоподшипники, крепежные детали). Методом взаимозаменяемости обеспечивается соединение цоколя электрической лампочки с патроном, взаимозаменяемы детали шариковых ручек и т.д. Широкое использование метода полной взаимозаменяемости в жизни объясняется следующими его преимуществами: • относительная простота достижения требуемой точности замыкающего звена, так как формирование размерной цепи сводится практически к простому соединению ее составляющих звеньев; • возможность широкого кооперирования различных цехов и заводов при изготовлении отдельных деталей или сборочных единиц машин; • возможность выполнения технологических процессов изготовления деталей и особенно сборки машин рабочими невысокой квалификации; • простота нормирования технологических процессов во времени. Поля допусков или возможные значения поля рассеяния замыкающего звена рассчитывают по методу максимума-минимума (см. п. 5.1.1) При решении прямой задачи расчет полей допусков сводится к распределению поля допуска замыкающего звена между составляющими звеньями. Такое распределение многовариантно, что характерно для решения любой проектной задачи. Формально все решения будут правильными, если в каждом из них сумма допусков составляющих звеньев будет равна допуску замыкающего звена. Однако не все решения могут быть приемлемыми с точки зрения экономики. Поэтому распределение значения поля допуска замыкающего звена между составляющими звеньями ведут, сопровождая его хотя бы мысленной оценкой экономической целесообразности устанавливаемого поля допуска на то или иное составляющее звено. Например, при расчете конструкторских размерных цепей обычно учитывают следующее: • чисто технические возможности достижения задаваемой точности; • экономичность способов обработки, которые могут быть использованы в процессе изготовления деталей (сведения о средней экономической точности различных методов обработки можно получить в справочниках технолога); • число изделий, подлежащих изготовлению, во многом влияющее на оценку экономичности метода обработки. Таким образом, критерием удачного распределения поля допуска замыкающего звена между составляющими звеньями может служить лишь себестоимость решения задачи с помощью рассматриваемой размерной цепи. Расчет координат середин полей допусков не связан с экономикой. Однако всегда желательно придание полю допуска положения относительно номинального значения составляющего звена, удобного для производственников. Этим объясняется частое задание допуска в "материал" детали и симметрично расположенных допусков. Рассчитывая координаты, обычно составляют уравнение координат середин полей допусков и, используя формулы, приведенные выше (см. п.5.1), устанавливают значения координат середин полей допусков составляющих звеньев, за исключением одного. Решая уравнение с одним неизвестным, находят недостающую координату середины поля допуска. При расчете полей допусков и координат их середин часты случаи, когда приходится учитывать ограничения, установленные стандартами и другими нормативными материалами. Обязательность их учета не затрагивает существа расчетов и их методической направленности. Правильность рассчитанных допусков может быть проверена путем определения по установленным значениям полей допусков составляющих звеньев и координат их середин предельных отклонений замыкающего звена и сопоставления их с условиями задачи. Предельные отклонения замыкающего звена могут быть найдены по следующим формулам: ; Метод полной взаимозаменяемости, учитывающий возможность сочетания крайних отклонений составляющих звеньев, часто приводит к неэкономичным допускам. Считается, что экономически оправданной областью использования метода полной взаимозаменяемости являются малозвенные размерные цепи и размерные цепи с относительно широким полем допуска замыкающего звена. Очень малая вероятность сочетания в размерной цепи крайних отклонений составляющих звеньев приводит порой к отрицанию права метода полной взаимозаменяемости на существование. Такие категоричные утверждения не только не верны, но и опасны, так как существуют области, для которых единственно приемлемым является метод полной (абсолютной) взаимозаменяемости. К числу таковых, например, относят стрелковое оружие, в котором отклонения диаметральных размеров канала ствола и пули во избежание отказов допустимы в пределах, установленных только по методу полной взаимозаменяемости.   5.2.2. Метод неполной взаимозаменяемости   Сущность метода заключается в том, что требуемая точность замыкающего звена размерной цепи достигается с некоторым, заранее обусловленным риском путем включения в нее составляющих звеньев без выбора, подбора или изменения их значений. Преднамеренный риск выхода значений замыкающего звена за пределы допуска, определяемого условиями задачи, обычно незначителен. Однако этот риск позволяет расширить допуски составляющих звеньев в сравнении с их значениями, установленными при достижении точности замыкающего звена методом полной взаимозаменяемости. Эта возможность создается малой вероятностью возникновения крайних отклонений составляющих звеньев и попаданий таких отклонений в одно изделие. На рис. 5.3 дано разъяснение принципиального различия между методами полной и неполной взаимозаменяемости и схематично отображено преимущество второго метода перед первым. Рис.5.3. Сравнительная схема достижения точности замыкающего звена методами полной и неполной взаимозаменяемости   При заданном допуске замыкающего звена трехзвенной размерной цепи при использовании метода полной взаимозаменяемости допуски составляющих звеньев определяются по формуле: . Установив более широкие допуски на составляющие звенья и и ориентируясь на метод полной взаимозаменяемости, мы вправе ожидать отклонений замыкающего звена . При расчете полей допусков для метода неполной взаимозаменяемости используют формулу, в которой учтены вероятностные явления, сопровождающие процесс изготовления машины (см.п.5.1.2.): , где - коэффициент риска, значения которого выбирают из таблиц значения функций Лапласа в зависимости от принятого риска - Р в %; - коэффициент, характеризующий закон рассеяния отклонения составляющих звеньев. Для нормального закона =1/3. При нормальном законе распределения отклонений и равновероятном их выходе за обе границы поля допуска . Некоторые значения коэффициента приведены ниже: Правильность выбора значения может быть обоснована только технико-экономическим расчетом. Значение коэффициента можно назначать, а можно выбирать. Практика показывает, что наиболее распространенными законами, которым подчинено рассеяние отклонений, являются нормальный закон (закон Гаусса), где = 1/9, закон Симпсона (закон треугольника), где = 1/6, закон равной вероятности, где = 1/3. Наиболее благоприятные условия для рассеяния отклонений по нормальному закону складываются в массовом и крупносерийном производстве, менее благоприятно — в мелкосерийном и единичном. В тех случаях, когда трудно предвидеть законы распределения отклонений составляющих звеньев размерной цепи, избирают закон Симпсона или закон равной вероятности. Координаты середин полей допусков рассчитывают по формулам (см. п.9.1) так же, как и при методе полной взаимозаменяемости. Уместно отметить, что эти формулы являются общими для всех пяти методов достижения требуемой точности замыкающего звена. Правильность установленных допусков может быть проверена сопоставлением предельных отклонений замыкающего звена с заданными его значениями: ; . ЛЕКЦИЯ 6   6. Методы достижения точности замыкающего звена. Методы групповой взаимозаменяемости, регулировки и пригонки   6.1. Метод групповой взаимозаменяемости   Сущность метода заключается в том, что требуемая точность замыкающего звена размерной цепи достигается путем включения в размерную цепь составляющих звеньев, принадлежащих к одной из групп, на которые они предварительно рассортированы. При применении метода групповой взаимозаменяемости поле допуска замыкающего звена, заданное условиями задачи, увеличивается в целое число раз. Расширенное поле допуска, часто называемое производственным допуском, , используют для ограничения отклонений составляющих звеньев размерной цепи. Детали, изготовленные по более широким допускам, в сравнении с методами полной или неполной взаимозаменяемости, сортируют на п групп. Изделия собирают из деталей, принадлежащих соответственным группам, что обеспечивает точность изделий в пределах заданного поля допуска и полную взаимозаменяемость деталей в границах каждой группы. При реализации метода необходимо соблюдать два условия: 1. сумма полей допусков увеличивающих составляющих звеньев должна быть равна сумме полей допусков уменьшающих звеньев: ; 2. идентичность формы и расположения кривых рассеяния отклонений относительно полей допусков. Непременность соблюдения первого условия можно пояснить на примере трехзвенной размерной цепи (рис.10.1). Рис.6.1. Трехзвенная размерная цепь (а)   На рис. 6.1, изображена размерная цепь , определяющая зазор между валом и отверстием во втулке, =1: Поле допуска замыкающего звена увеличено в раз. В соответствии с ним установлены производственные поля допусков и составляющих звеньев. Согласно требованию = . Каждое из полей допусков и разделено на интервалов (рис. 10.2, а) так, что Таким образом, соединение деталей, взятых из соответствующих групп, обеспечит соблюдение поля допуска точно так же, как и при методе полной взаимозаменяемости. а) б) 6.2. Достижение точности методом групповой взаимозаменяемости при соблюдении первого условия (а) и его нарушении (б)   Координата середины поля допуска замыкающего звена для первых интервалов: ; для вторых интервалов: . Поскольку , то . Для последующих интервалов полей допусков, и координата середины поля допуска замыкающего звена будет оставаться неизменной: . Другими словами, при соединении деталей, взятых из соответствующих групп, отклонения замыкающего звена будут находиться в пределах допуска, определяемого заданными значениями и . Этого не произойдет, если требование будет нарушено и (рис.6.2 б), но при этом соблюсти равенство . В этом случае отклонения замыкающего звена , как и прежде, будут находиться в пределах , так как . Однако среднее значение замыкающего звена изделий не будет оставаться постоянным при сборке их из деталей, взятых из разных соответствующих групп. Причиной тому будет изменение координаты середины поля допуска замыкающего звена с изменением номера сочетаемых интервалов и . Так, для второго интервала , так как . Разница в значениях координат середин полей допусков по отношению к первому интервалу будет возрастать по мере увеличения номера интервала. Экономично использовать метод групповой взаимозаменяемости для малозвенных размерных цепей, к точности замыкающих звеньев которых предъявляются высокие требования. Возможность значительного расширения полей допусков составляющих звеньев и доведение их до экономически достижимых значений делает этот метод в ряде случаев единственно приемлемым для производства высокоточных изделий (отдельных видов подшипников, соединений пальцев и поршней двигателей и т.п.). При определении экономической эффективности данного метода необходимо учитывать дополнительные расходы, необходимые для точного измерения и сортировки деталей на группы, четкой организации хранения и доставки рассортированных деталей на сборку, исключения путаницы деталей при сборке. Организационные трудности и расходы возрастают с увеличением числа звеньев в размерных цепях и групп сортируемых деталей. Этим и объясняется ограничение области применения метода для малозвенных размерных цепей и стремление иметь число n возможно меньшим. При достижении точности замыкающего звена методом групповой взаимозаменяемости необходимо соблюдать еще некоторые условия. Первым из них являются требования к точности формы и относительного поворота поверхностей деталей, соответствующие не производственным (расширенным) допускам на размеры, а групповым допускам, т.е.. Объясняется это тем, что точность замыкающего звена при методе групповой взаимозаменяемости характеризуется полем допуска , а не . Ему и должно соответствовать ограничение допусками отклонений формы и относительного поворота поверхностей деталей, образующих составляющие звенья размерной цепи. Вторым требованием, во многом определяющим экономичность метода групповой взаимозаменяемости, является идентичность формы, и расположения кривых рассеяния отклонений относительно полей допусков. Только при соблюдении этого условия будет обеспечиваться комплектность изделий (рис.10.3 а), не будет избытка одних и нехватки других деталей в группах, т.е. случая, показанного на рис. 6.3, б. Это требование создает дополнительные трудности для изготовителей деталей, которые должны не только соблюдать допуски, но и управлять законами распределения отклонений выдерживаемых размеров. Рис.6.3. Влияние формы и положения кривых рассеяния на собираемость изделий   10.2. Метод пригонки   Сущность метода пригонки заключается в том, что требуемая точность замыкающего звена размерной цепи достигается изменением размера компенсирующего звена путем удаления с него определенного слоя материала. При достижении точности замыкающего звена методом пригонки на все составляющие звенья размерной цепи устанавливают целесообразно достижимые (экономичные) в данных производственных условиях допуски: ; . Значения полей допусков, установленные вне связи с заданным значением поля пуска замыкающего звена, могут привести к тому, что отклонения замыкающего звена будут выходить за его пределы, т.е. . Избыток погрешности на замыкающем звене, наибольшее значение которого называют наибольшей расчетной компенсацией , должен быть удален из размерной цепи путем изменения значения заранее выбранного компенсирующего звена. При выборе в размерной цепи компенсатора руководствуются следующими соображениями. 1. В качестве компенсатора выбирают деталь, изменение размера (являющегося одним из составляющих звеньев) которой при дополнительной обработке требует наименьших затрат. 2. Недопустимо в качестве компенсатора выбирать деталь, размер которой является общим составляющим звеном параллельно связанных размерных цепей. Нарушение этого условия приводит к возникновению погрешности, «блуждающей» из одной размерной цепи в другую. Произвольное назначение координат середин полей допусков составляющих звеньев может привести к тому, что у компенсатора не окажется нужного запаса материала для пригонки. Для того чтобы обеспечить на компенсаторе минимально необходимый слой материала (припуск) для пригонки, и в то же время достаточный для устранения максимального отклонения замыкающего звена, в координату середины поля допуска компенсирующего звена необходимо ввести поправку . Пусть в трехзвенной размерной цепи (рис.6.2) требуемая точность замыкающего звена характеризуется величинами и ; и - поля допусков составляющих звеньев, экономически целесообразные для данных производственных условий; и - координаты середин полей допусков. При этих допусках отклонения замыкающего звена возможны в пределах при координате середины поля допуска . Наибольшее возможное отклонение отстоит от верхней границы на величину (рис.6.4), значение которой может быть определено следующим путем: ; ; . Отсюда . Рис.6.4. Схема определения поправки   Основным преимуществом метода пригонки является возможность изготовления деталей с экономичными допусками. Методом пригонки может быть обеспечена высокая точность замыкающего звена. Однако пригоночные работы в основном выполняются вручную и требуют высококвалифицированных рабочих.   6.3. Метод регулирования   Сущность метода заключается в том, что требуемая точность замыкающего звена размерной цепи достигается изменением размера компенсирующего звена без удаления материала с компенсатора. Принципиально в своей сущности метод регулирования аналогичен методу пригонки. Различие между ними заключается в способе изменения размера компенсирующего звена. Различают регулирование с помощью подвижного и неподвижного компенсатора. Достижение точности зазора с применением подвижного компенсатора представлено на рис.6.5 а, а с применением неподвижного компенсатора на рис.6.5 б. Рис.6.5. Достижение точности зазора : а) – с применением подвижного компенсатора; б)- с применением неподвижного компенсатора   Допуски при методе регулирования назначают так же, как при методе пригонки: устанавливают экономически приемлемые для данных производственных условий поля допусков и координаты их середин . При применении подвижного компенсатора определяют , которое учитывают при разработке конструкции подвижного компенсатора и определении его разрешающей способности. При применении неподвижного компенсатора приходится считаться с тем, что неподвижный компенсатор не в состоянии скомпенсировать собственное отклонение. Поэтому ; , где m — 2 означает, что при суммировании значения и компенсатора не учтены. Следовательно, . Далее необходимо определить число ступеней компенсаторов и их размеры. , где — поле допуска, ограничивающее отклонения размера компенсатора. Для метода регулирования характерны следующие преимущества. 1. Возможно достижение любой степени точности замыкающего звена при целесообразных допусках на все составляющие звенья. 2. Не требуется больших затрат времени на выполнение регулировочных работ, которые могут быть выполнены рабочими невысокой квалификации. 3. Не создается сложностей при нормировании и организации сборочных работ. 4. Обеспечивает машинам и механизмам возможность периодически или непрерывно и автоматически сохранять требуемую точность замыкающего звена, теряемую вследствие изнашивания, теплового и упругого деформирования деталей и других причин. Преимущества метода регулирования особо ощутимы в многозвенных размерных цепях. Введение в конструкцию машин и механизмов компенсаторов облегчает обеспечение точности замыкающих звеньев не только в процессе изготовления, но и в процессе эксплуатации машин, что положительно отражается на их экономичности. Завершая рассмотрение методов достижения требуемой точности замыкающего звена, отметим, что теоретико-вероятностные расчеты, присущие методу неполной взаимозаменяемости, могут быть с успехом применены в методах групповой взаимозаменяемости, пригонки и регулирования. Например, использование при суммировании значений производственных полей допусков теоретико-вероятностного метода приведет к меньшему значению , а, в конечном счете, - к меньшему числу ступеней компенсаторов и повышению экономической эффективности метода регулирования, хотя это и будет связано с некоторым риском. ЛЕКЦИЯ 7   7. Построение системы множеств связей свойства материалов и размерных связей в процессе проектирования машины   Машина создается для выполнения конкретного технологического процесса и должна обладать необходимым качеством и быть экономичной. Обеспечение качества машины начинается с формулировки ее служебного назначения, то есть определения и описания задач, которые должна решать 0вшина и условий, в которых ей предстоит работать, требуемого технико-экономического уровня и так далее. Конструкция машины представляет собой сложную систему двух множеств связей – свойств материалов и размерных связей. Построение такой системы происходит в процессе проектирования машины. При этом реализуется органическая связь свойств материалов деталей, составляющих машину, формы, размеров, относительного положения их поверхностей и самих деталей с показателями служебного назначения машины. Таким образом, началом формирования качества машины является формулировка ее служебного назначения.   7.1.Формулировка служебного назначения   Служебное назначение представляет собой четко сформулированную задачу, для решения которой создается машина. Задача при этом максимально «раскрывается» (расшифровывается), с тем, чтобы конкретизировать: • назначение машины, • условия эксплуатации, а также определить требования обусловливающие соответствие машины в техническом, экономическом, и эстетическом смысле современному уровню. Служебное назначение машины включает в себе не только словесное описание, но и систему количественных показателей с допусками. Наибольшая сложность в формулировании служебного назначения машины составляет конкретизация ее функций и условий работы, правильное определение значений показателей и допусков. При уточнении служебного назначения используют следующие источники. 1. Подробные данные о свойствах продукции (вид, материал, размеры, масса, требования к качеству и так далее) для выпуска которой создает машину. 2. Данные о количестве выпуска продукции в единицах времени и по неизменным чертежам (). 3. Требования к стоимости продукции. 4. Данные об исходном продукте (вид, качество, количество и так далее). 5. Сведения о технологическом процессе изготовления продукции. 6. Требования к производительности. 7. Условия, в которых должен осуществляться технологический процесс (температура, влажность, запыленность, наличие активных химических веществ и так далее). 8. Требования к надежности машины. 9. Требования к долговечности. 10. Требования к уровню механизации и автоматизации. 11. Условия безопасности работы и обслуживания, удобство управления. 12. Требования к внешнему виду. 13. Вид, качество, количество, источник потребляемой энергии и так далее. Перечисленные направления конкретизации неполные, так как формулировка служебного назначения каждой машины сугубо индивидуально, специфична и имеет свою систему показателей.   7.2. Сущность задачи, решаемой при проектировании машины   К началу проектирования машины, конструктору должны быть известны номинальные, средние значения и допустимые отклонения следующих групп параметров, определяющих: 1. Требования к качеству продукции — ; ее количественный выпуск — ; себестоимость единицы продукции — . 2. Качество исходного продукта — . 3. Свойства потребляемой энергии — . 4. Состояние окружающей среды — . Сущность задачи, решаемой при проектировании машины, представлена на рис. 7.1. Рис.7.1. Задача, решаемая в процессе проектирования машины   Параметры первой группы устанавливаются в соответствии с требованиями человеческого общества (и нормативами хозяйства). Для удовлетворения этих потребностей и создается машина, поэтому соблюдение параметров первой группы обязательно. Значение параметров 2-й группы также не могут быть изменены, так как за этим последовало бы создание другой машины. Способность машины выполнять служебное назначение в заданных пределах обеспечивается рядом ее конструктивных свойств, характеризуемых группой параметров . К числу этих параметров относятся характеристики материалов, размерных связей, а также их производных (кинематики, жесткости, износостойкости, надежности и так далее). Смысл проектирования машины заключается в нахождении таких и таком конструктивном обеспечении их, при которых машина находилась бы в соответствии с условиями определяемыми значениями параметров 1 – 4 групп.   7.3. Выбор видов связей и конструктивных форм исполнительных поверхностей машины   Свое служебное назначение машина выполняет с помощью связей, действующих между ее исполнительными поверхностями. Между исполнительными поверхностями могут действовать размерные, кинематические, динамические, гидравлические, пневматические, электрические, магнитные, звуковые, световые и другие связи. Проектирование машины всегда начинается с выбора связей, позволяющих машине осуществлять требуемый технологический процесс экономично. Требуемые виды связей исполнительных поверхностей машины выбирают в соответствии с ее служебным назначением. Вид и форму исполнительных поверхностей машины устанавливают исходя из ее служебного назначения и в результате совокупного рассмотрения вида и характера необходимых связей, выявленных ранее. Большую роль при решении этой задачи играет конструкторская преемственность. Например, выбор исполнительных поверхностей токарного станка – сочетание поверхностей шпинделя (под центр, планшайбу, патрон), поверхности конического отверстия пиноли и поверхности резцедержателя был сделан с целью осуществления кинематических и размерных связей. Однако на эти же поверхности возлагается и осуществление динамических связей, то есть передачу сил и моментов сил, необходимых для процесса резания, сил для закрепления заготовки и тому подобное (рис.11.2). Рис.7.2. Исполнительные поверхности токарного станка и связи между ними   7.4. Переход от показателей служебного назначения машины к показателям связей ее исполнительных поверхностей   Целью перехода является установление значений показателей связей исполнительных поверхностей машины, исходя из значений показателей ее служебного назначения. Основной путь перехода – это расчет, для проведения, которого необходимо соответствующие уравнения связи: , где – один из показателей служебного назначения; – показатели вида связи исполнительных поверхностей машины, влияющие на y. Например, при проектировании токарного станка, для получения поверхностей вращения и плоских поверхностей деталей необходимо обеспечить вращение заготовки и прямолинейное движение режущего инструмента. В соответствии с этим исходные уравнения кинематической связи исполнительных поверхностей станка будет иметь вид: , где – скорость подачи прямолинейного движения режущего инструмента мм/мин; – частота вращения шпинделя, мин-1; – подача мм/ об. Скорость прямолинейного движения режущего инструмента относительно обрабатываемой поверхности детали характеризует производительность станка. Требуемая производительность задается его служебным назначением. Желание иметь max сдерживается 2 факторами: стойкостью режущего инструмента, зависящей от , и точностью обработки, зависящей от . Поэтому при выборе и приходится учитывать требуемую точность обработки различных деталей; методы обработки, требующие различные режимы обработки, и, в связи с этим, появляется необходимость в диапазонах и рядах чисел оборотов, представляющих собой показатели кинематической связи исполнительных поверхностей токарного станка. Для снятия с заготовки требуемого слоя материала необходимо приложения режущими кромками инструмента к заготовке определенной силы резания. Силы резания задаются действием динамических связей исполнительных поверхностей токарного станка. Сила резания: , где ; ; . Силы резания рассчитываются исходя из: наибольшей глубины резания t, наибольшей твердости материала , наибольшей подачи и наименьшей скорости . Для расчета силы резания режимы обработки берут из формулировки служебного назначения. Далее, например, составляющая создается вращающим моментом . Исходя из требуемых значений , на исполнительных поверхностях шпинделя нужно создать момент PX создается силой подачи и так далее. Все необходимые виды связей в машине создают с помощью деталей, имеющих определенные геометрические формы, размеры, относительные положение и изготовленных из определенных материалов. Материалы и возможность придания им нужных форм, размеров и положения – это все чем располагает конструктор для создания требуемых связей в машине. Поэтому, проектируя машину, конструктор вынужден неоднократно осуществлять переход от одного вида связи к другому, и, в конечном счете, сводить все виды связей, требующиеся для работы машины, к материалам деталей и размерным связям. В учебнике приведен пример (смотрите самостоятельно) – электрический двигатель.   7.5. Преобразование связей в процессе проектирования машины   Все необходимые виды связей в машине создают с помощью деталей, имеющих определенные геометрические формы, размеры, относительное положение и изготовленных из определенных материалов. Таким образом, конструктор для создания требуемых связей в машине располагает лишь материалами и возможностью придания им нужных форм, размеров и положения. Поэтому, проектируя машину, конструктор вынужден многократно осуществлять переход от одного вида связи к другому и в конечном счете сводить все виды связей, требующиеся для работы машины к материалам деталей и размерным связям. Для перехода от одного вида связей к другому необходимо иметь уравнение, отражающее зависимость показателя (функции) преобразуемого вида связи от показателей (аргументов) вида связи, к которому осуществляется переход. Переход в номиналах и допусках от параметров продукции машины к связям свойств материалов и размерным связям, можно рассмотреть на примере электродвигателя (рис.11.3). Рис.7.3. Преобразование связей в электродвигателе   Электродвигатель предназначен для создания вращательного движения с частотой вращения вала nв (мин-1) и вращающим моментом Мвр на валу. Вращательное движение вала с определенной скоростью и вращающий момент 0вляяются продукцией электродвигателя, заданные соответственно , и , . Вращение электродвигателя является результатом его кинематической связи с якорем (nв=nя), а вращающий момент – динамической связи ( = ). Каждая из них осуществляется через электромагнитные связи. Переход от кинематической связи к электромагнитной может быть выполнен в номиналах с помощью уравнения: , где – электродвижущая сила в обмотке якоря, , при этом — напряжение питания электродвигателя; — сила тока в обмотке якоря; – сопротивление обмоток якоря; — падение напряжения на щетках, – число пар параллельных ветвей обмотки якоря, – число пар полюсов электродвигателя, – магнитный поток в зазоре, – число проводников в обмотке якоря. Дальнейшие преобразования позволяют перейти от сопротивления с якоря к материалу, длине и сечению проводников обмотки, используя зависимость: , где – удельное сопротивление материала проводников, характеризующие свойства материала; и – соответственно длина и сечение проводников. А, воспользовавшись уравнением магнитного потока: , где – магнитодвижущая сила; –средняя длина силовой линии; — магнитная проницаемость железа; - сечение железа; — воздушный зазор, можно, исходя из величины Ф, установить минимальный воздушный зазор между якорем и статором, параметры характеристик свойств материалов магнитов и площадь их сечения. Для создания требуемого вращающего момента на валу двигателя необходимо перейти от заданного СН двигателя момента к электромагнитному моменту . Так как , то на основании зависимости: можно подойти к значениям аргументов с позиции обеспечения требуемой динамической связи исполнительных поверхностей двигателя. Так как , то, используя выбранные значения и можно установить номинальный диаметр якоря. Для установления норм точности двигателя необходимо перейти от допусков на параметры продукции двигателя к допускам на показатели размерных связей и свойств материалов. Например, зависимость поля допуска на частоту вращения от полей допусков на параметры электромагнитных связей выглядит следующим образом: . Средние допустимые значения аргументов и функции находятся в следующей зависимости: . Помимо задания требуемой точности связей в машине методом расчета, являющегося основным, в практике машиностроения используют и другие пути. Требуемая точность связи может быть установлена:  на основании экспериментов, поставленных на опытных образцах, первых экземплярах или макетах машин;  путем имитационного моделирования процесса работы машины и явлений, сопутствующих ее работе;  в результате опыта эксплуатации аналогичных машин создаваемой;  путем логических умозаключений и на основании опыта лица, проектирующего машину. Однако последние два пути менее надежны, так как отражают лишь то, что достигнуто в прошлом, и не могут быть избавлены от субъективизма. Лекция8 Особое внимание следует уделять при сборке размерным цепям, составляющими звеньями которых являются разные геометрические параметры, так как решение этих цепей проверяет на совместимость допуски, установленные на основе различных нормативных источников. На рис. 1.5 показана параллельно-звеньевая размерная цепь, замыкающим звеном АА которой является монтажное межосевое расстояние зубчатой передачи с отклонениями, нормируемыми стандартом, а составляющими звеньями являются: А1 — расстояние между осями гнезд корпуса (отклонения определяются из расчета данной цепи); А2 и A3 — отклонения от соосности наружной и внутренней поверхностей подшипниковых втулок; А4 и А5 — смещения осей базовых шеек валов на половину зазора под воздействием распорной силы (зазоры определяются расчетом и выбором посадок); А6 и Л1 — отклонения от соосности мест посадки шестерен по отношению к базовым шейкам валов (определяется с учетом допустимого радиального биения шестерен). На рис. 1.6 показана плоская размерная цепь, замыкающим звеном которой является половина минимального бокового зазора цилиндрической передачи £Д = 0,5 'Ami,,, а составляющими звеньями: Б1 и Б2 — смещения исходного контура Е^ для обоих колес (по виду сопряжения и нормам плавности); БЗ и БА — половины отклонений шага зацепления для обоих колес (по нормам плавности передачи); 2>5 и Бв — половины погрешности направления зуба /р для обоих колес (по нормам контакта); Б1 и Б% — половины допусков соответственно на перекос^ и отклонения от параллельности/* осей колес в передаче (по нормам точности контакта); БЭ — нижнее отклонение межосевого расстояния /а передачи (по нормам вида сопряжения). В результате расчета этой цепи гарантированный боковой зазор где Kj — компенсационный зазор, компенсирующий погрешность изготовления зубчатых колес и сборки передачи, уменьшающий боковой зазор Для разработки последовательности сборочных операций необхо­димо провести расчленение собираемого изделия на составные части. При этом учитывают следующие требования: — сборочную единицу не следует расчленять в процессе сборки, транспортировки и монтажа; — сборочным операциям предшествуют подготовительные и пригоночные работы, которые выделяют в самостоятельные операции; — габаритные размеры сборочных единиц устанавливают с учетом наличия подъемно-транспортных средств; — сборочная единица должна состоять из небольшого числа деталей и сопряжений для упрощения организации сборочных работ; —сокращать число деталей, подаваемых непосредственно на сборку, за исключением базовой детали и крепежа; — изделие следует расчленять так, чтобы его конструкция позволяла осуществлять сборку с наибольшим числом сборочных единиц. Последовательность сборки (сборочных операций) разрабатывают, соблюдая следующие требования: — предшествующие операции не должны затруднять выполнение последующих; — для поточной сборки разбивка процесса на операции должна осуществляться с учетом такта сборки; — после операций, содержащих регулирование или пригонку, необходимо предусмотреть контрольные операции; — если изделие имеет несколько размерных цепей, то сборку начинают с наиболее сложной и ответственной цепи; — в каждой размерной цепи сборку необходимо завершать установкой тех элементов соединения, которые образуют ее замыкающее звено; — при наличии нескольких размерных цепей с общими звеньями сборку начинать с элементов той цепи, которая в наибольшей степени влияет на точность изделия. Для определения последовательности Рис. 8.1. Сборочная единица (вал с червячным коле­сом) сборки изделия и его составляющих частей разрабатывают технологические схемы сборки. На рис. 8.1 показана сборочная единица (вал с червячным колесом), а на рис. 8.2 — технологическая схема его сборки. Технологические схемы, являясь первым этапом разработки технологического процесса, в наглядной форме отражают маршрут сборки изделия и его составных частей. Технологические схемы сборки составляют на основе сборочных чертежей изделия. На технологических схемах каждая деталь или сборочная единица обозначается прямоугольником, разделенным на три части. В верхней части прямоугольника указывают наименование детали или сборочной единицы, в левой нижней части — номер, присвоенный детали или сборочной единице на сборочных чертежах изделия, в правой нижней части — число собираемых элементов. Сборочные единицы обозначают буквами «Сб» (сборка). Базовыми называются детали или сборочные единицы, с которых начинается сборка. Каждой сборочной единице присваивается номер ее базовой детали. Например, «СБ4» — сборочная единица с базовой деталью 4 (ступица колеса). Технологическую схему сборки строят в следующей последовательности. В левой части схемы (рис. 1.8) указывают базовую деталь или базовую сборочную единицу. В правой части схемы указывают собираемое изделие в сборе. Рис. 8.2. Технологическая схема сборки сборочной единицы Эти два прямоугольника соединяют горизонтальной линией. Выше этой линии прямоугольниками обозначают все детали, входящие непосредственно в изделие, в порядке, соответствующем последовательности сборки. Ниже этой линии прямоугольниками обозначают сборочные единицы, непосредственно вхо­дящие в изделие. Схемы сборки сборочных единиц могут строиться как отдельно (по приведенному выше правилу), так и непосредственно на общей схеме, развивая ее в нижней части схемы (под линией). Технологические схемы сборки сопровождаются подписями, если они не очевидны из самой схемы, например, «Запрессовать», «Сварить», «Проверить на биение» и т. д. Технологические схемы сборки одного и того же изделия многовариантные. Оптимальный вариант выбирают из условия обеспечения заданного качества сборки, экономичности и производительности процесса при заданном масштабе выпуска изделий. Составление технологических схем целесообразно при проектировании сборочных процессов для любого типа производства. Технологические схемы упрощают разработку сборочных процессов и облегчают оценку изделия на технологичность. Технологические процессы сборки типовых сборочных единиц, сборки неподвижных разъемных соединений (резьбовых, шпоночных, шлицевых и т. п.), сборки неразъемных соединений (пластическим деформированием, сваркой, пайкой, склеиванием), сборки различных передач машин и механизмов (зубчатые, цепные и др.) описаны в соответствующей справочной литературе. Лекция 9 9. ТОЧНОСТЬ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ТОЧНОСТЬ И ЕЕ ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ФАКТОРЫ Под точностью в технологии машиностроения понимается степень соответствия производимых изделий их заранее установленным параметрам. Она в большей мере определяется точностью изготовления отдельных деталей и сборочных единиц. Точность в машиностроении — понятие комплексное. Оно характеризует не только геометрические параметры машин и их элементы, но и единообразие различных свойств изготовляемых изделий (упругих, динамических, магнитных, электрических и др.). Понятие точности детали включает в себя следующие параметры: — точность размеров; — точность формы поверхностей; — точность относительного расположения поверхностей; — шероховатость поверхностей; — волнистость; — физико-механические свойства поверхностного слоя. Количественные показатели точности и допускаемые отклонения регламентируются Единой системой допусков и посадок и ее стандартами. Задачи обеспечения необходимой точности изделия решаются на этапах их конструирования, разработки и внедрения технологии изготовления. Любой технологический процесс реализуется в определенной технологической системе (системе СПИД — станок, приспособление, инструмент, деталь), включающей в себя средства технологического оснащения и заготовку. С момента начала механической обработки заготовки технологическая система действует как многофакторная автоматическая система, структурная схема которой представлена на рис. 9.1. Входными параметрами этой системы являются: — характеристики металлорежущего станка — тип, модель, мощность, диапазоны частот вращения и подач, точность, жесткость, виброустойчивость; — характеристики технологической оснастки — приспособлений, устройств механизации и автоматизации, промышленных роботов; — характеристики заготовки — материал, его химический Рис. 9.1. Структурная модель многофакторной автоматической технологической системы механической обработки состав, механические свойства, погрешность размеров, формы, взаимного расположения, качество поверхностного слоя; — технологическая схема обработки поверхности; — эксплуатационные свойства режущего инструмента — прочность, стойкость, размерный износ; — режимы резания — V, S, t; — начальный размер наладки. К возмущающим воздействиям, нарушающим начальные условия обработки, относятся: — упругие деформации элементов технологической системы; — размерный износ режущего инструмента; — тепловые деформации элементов технологической системы; — погрешность установки заготовок; — погрешность корректирования первичного наладочного размера; — погрешность измерений; — погрешности профильного и мерного режущего инструмента; — погрешность от перераспределения внутренних остаточных напряжений; — колебания элементов технологической системы. Выходными параметрами являются: — качество механической обработки — точность размеров, формы, взаимного расположения и качество обработанной поверхности; — производительность механической обработки; — экономические критерии процесса обработки. Из схемы видны возможные пути управления технологическими процессами: — управление по выходным параметрам (обратная связь 2); — управление по внешним возмущающим воздействиям (обратная связь 1). Более подробно вопросы управления технологическими процессами рассмотрены ниже. На общую суммарную погрешность обработки может оказывать влияние совокупность любых из перечисленных выше параметров (входных, возмущающих и выходных). К элементарным составляющим суммарной погрешности относятся: — неточность технологической схемы обработки; — геометрическая погрешность станков; — погрешность приспособлений; — погрешность мерного и профильного режущего инструмента; — погрешности измерений; — погрешность от упругих деформаций элементов технологической системы; — тепловые деформации элементов технологической системы; — размерный износ режущего инструмента; — погрешность начальной размерной наладки; — погрешность подналадки; — погрешность установки заготовок; — погрешность от перераспределения остаточных внутренних напряжений; — шероховатость обработанной поверхности; — погрешность, вызываемая колебаниями элементов технологической системы; — погрешность, определяемая конструктивными особенностями системы управления технологическим процессом. На рис.9.2 показана структурная модель многофакторного технологического процесса механической обработки в случае использования нескольких технологических систем. Из рисунка видно, что часть выходных параметров предшествующей системы являются входными параметрами последующей системы, что наглядно демонстрирует явление технологической наследственности. Рис. 9.2. Структурная модель многофакторного технологического процесса В технологии машиностроения под технологической наследственностью понимается перенесение на готовое изделие в процессе его изготовления погрешностей, механических и физико-химических свойств исходной заготовки или свойств и погрешностей, сформировавшихся у заготовки на отдельных операциях изготовления изделия. Проявление технологической наследственности может привести как к улучшению, так и к ухудшению эксплуатационных свойств деталей. Технологический процесс изготовления деталей должен разрабатываться с учетом технологической наследственности так, чтобы сохранить у детали положительные качества (наклеп поверхностного слоя, высокую поверхностную твердость, остаточные напряжения сжатия и др.) или, наоборот, устранить отрицательные качества — дефектный слой, отклонения формы и расположения поверхностей и др. Для целесообразного использования явления технологической наследственности необходимо установить непосредственные связи между эксплуатационными характеристиками деталей и режимами обработки заготовок. Технологическая наследственность проявляется на всех этапах реализации технологических процессов. В технологии машиностроения принято различать следующие виды элементарных погрешностей обработки по воздействию на технологическую систему: — систематические постоянные погрешности, вызываемые, например, неточностью мерного инструмента; — систематические погрешности, закономерно изменяющиеся по течению технологического процесса, вызываемые, например, размерным износом режущего инструмента; — случайные погрешности, которые, появившись при обработке одной заготовки, необязательно появляются при обработке других заготовок, а их значения для различных заготовок изменяются в определенных пределах от Ап^, до Атя. Предсказать момент появления и величину этих погрешностей возможно только с определенной вероятностью. Систематические погрешности обработки изучаются с помощью теоретических или экспериментальных исследований закономерностей, которым они подчиняются. Случайные погрешности изучаются с применением теории вероятностей и математической статистики. Для исследований точности механической обработки используются следующие основные методы: расчетно-аналитический; вероятностно-статистический и расчетно-статистический. Расчетно-аналитическая модель предполагает полную детерминированность процесса, для которого точно известны как начальная точность, так и влияние сопутствующих факторов. Путем решения систем уравнений, описывающих закономерности переноса погрешностей технологического процесса, однозначно определяется искомая точность. Факт детерминированности означает, что при одном и том же комплексе исходных условий при каждом последующем расчете получается один и тот же результат. Однако реальные процессы не всегда правильно отображаются детерминированными моделями, и правомерность их применения в таких случаях зависит от детальности изучения исследуемого процесса. Математическое описание процессов в этом случае заключается в последовательном определении начальных (исходных) погрешностей заготовки; далее устанавливается в аналитическом виде их влияние на окончательную точность готовой детали, и наконец, решается полученная система уравнений. Вероятностно-статистическая модель применяется при изготовлении достаточно больших партий деталей. Она позволяет без раскрытия физической сути явлений решать ряд задач по оценке и исследованию точности обработки, сборки, контроля и анализу точности оборудования. При этом определяются как первичные, так и суммарные погрешности. Расчетно-статистические модели сочетают положительные стороны обоих, вышерассмотренных методов. Они пригодны для различных условий производства и являются весьма гибкими, так как позволяют рассчитывать первичные и суммарные погрешности, оценивая их отдельные составляющие статистически или расчетным путем. При недостатке данных модель носит в большей мере вероятностно-статистический характер. В то же время, применяя детерминированный подход, можно определить поле рассеивания случайных погрешностей и отдельные погрешности расчетно-аналитическим методом. Лекция 10 10. СТАТИСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ТОЧНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ К статистическим методам относятся исследования с использованием кривых распределения погрешностей и графоаналитический метод (точечных диаграмм). 10.1. Метод кривых распределения погрешностей Центральная теорема теории вероятностей Ляпунова дает теоретическое обоснование тому факту, что при устойчивом процессе обработки заготовок на настроенных станках и при отсутствии изменяющихся во времени систематических погрешностей действительные размеры деталей часто подчиняются закону нормального распределения, так как результирующая погрешность обработки представляет собой сумму большого числа погрешностей, зависящих от станка, приспособления, инструмента и заготовки. Этот метод оценки точности применяется в условиях производства большого количества деталей. Для его применения необходимо произвести выборку деталей из обрабатываемых на исследуемой операции. Количество деталей в выборке влияет на точность оценки и определяется по специальной методике. По результатам измерения деталей выборки строится опытная кривая распределения, к которой по критерию согласия подбирается теоретический закон распределения. Опытные кривые распределения строят следующим образом. По оси абсцисс откладывают измеряемую величину, например диаметр деталей, через определенные интервалы, а на оси их количе­ство, попадающее в эти интервалы, или частости. Частость — это отношение числа деталей одного размера к общему числу деталей выборки. Соединяя точки пересечения, получают ломаную линию, которая называется опытной кривой распределения или полигоном распределения деталей по размерам (рис, 10.1). Определяют поле рассеивания размеров деталей как приближенную меру их точности. Поле рассеивания размеров определяется на основе рассчитываемых параметров соответствующего теоретического закона распределения. Плотность вероятности или дифференциальная функция распределения случайной величины непрерывного типа, подчиняющейся закону нормального распределения, имеет следующее выражение: Рис. 10.1. Опытная кривая или полигон распределения размеров где* — переменная случайная величина; ф(х) — плотность вероятности; а — среднее квадратичное отклонение случайной величины х от х; х — среднее значение (математическое ожидание а) величин х; е — основание натуральных логарифмов. Дифференциальная функция нормального распределения графически выражается в виде кривой холмообразного типа. По виду кривой она симметрична относительно ординаты точки х = х, т. е. равновозможны одинаковые положительные и отрицательные отклонения отЗс. При этом меньшие отклонения более вероятны, чем большие, а весьма большие отклонения от центра группирования маловероятны. Положение кривой относительно начала координат и ее форма определяются двумя параметрами х и а. С изменением х форма кривой не меняется, но изменяется ее положение относительно начала координат. С изменением а положение кривой не изменяется, но изменяется ее форма. С уменьшением о кривая становится более вытянутой, а ветви ее сближаются; с увеличением о наоборот, кривая становится более приплюснутой, а ветви ее раздвигаются шире (рис. 10.2) Интегральный закон нормального распределения выражается в общем виде так: Рис. 10.2. Влияние среднего квадратичного отклонения на форму кривой Рис. 10.3. Кривая нормального распределения погрешностей (размеров) Если случайная величина х следует нормальному закону, то достоверно, что она может принимать любые численные значения в прделах + ооэ поэтому Вероятность Р(-оо < х < + оо) = 1 представляет собой площадь под дифференциальной кривой нормального распределения. Очевидно, что вероятность значений х (рис. 2.5) в любом другом интервале Х| - х2 меньше единицы и будет равна Произведем замену переменной х путем подстановки учитывая, что х = to + х; dx = оЛ, получим Новые пределы интегрирования заменили пределы х, и х2. Правую часть уравнения можно представить в виде суммы двух интегралов Знак плюс в последнем уравнении изменился на минус вследствие изменения пределов интегрирования с и — 0 на 0 — 1Х. Интеграл dx носит название нормированной функции Лапласа и его значения для различных приведены в справочной литературе. Эта функция нечетная, следовательно, и для отрицательных значений /табличные данные берутся со знаком минус. Таким образом, вероятность того, что случайная величина, подчиняющаяся закону нормального распределения, при испытаниях примет значения в пределах хх — х2, может быть записана через Ф(0 следующим образом: Нетрудно убедиться, что значения случайной величины х будут находиться в интервале от Зс — За до х + За с вероятностью, весьма близкой к единице. Действительно, в этом случае так как Следовательно, Согласно табличным значениям Ф(/), 2Ф(3) = 0,9973. Таким образом, вероятность появления случайной величины вне указанного интервала не происходит q = 1 - Р = 1 - 0,9973 = 0,0027, т. е. очень мала. Поэтому принято зону рассеивания случайной величины х, подчиняющуюся нормальному распределению, ограничить пределами ± За. Рассмотрим пример по расчету процента годных и негодных деталей для следующих исходных данных: Г,, = 200 мкм; «=200 мкм; 0 имеют место реакции опор А, С, Д. При Мх < О имеют место реакции опор A, C1 , Д. Сумма проекций всех сил на ось ординат при Мх > 0: Рг + А - С=0. Сумма проекций всех сил на ось ординат при Мх < 0: Рz + С1 - А = 0. Уравнение моментов относительно точки «X» опорных реакций равны: при Мх > 0: Мх=Cz при Мх < 0: Мх = C1 z . Из полученных шести уравнений определяем величины опорных реакций. Зная площади опор суппорта, рассчитаем величины средних контактных напряжений: После этого рассчитаем деформации вершины резца в нормальном направлении (рис. 2.40). При Мх>0 При Мх<0 Рис. 2.40. Деформации вершины резца в нормальном направлении Величины k даются в справочниках в зависимости от характера контактирующих пар. Жесткость технологической системы в значительной степени определяет точность и производительность обработки резанием. Рассмотрим степень этого влияния. Известно соотношение, положенное в основу производственного метода определения жесткости станков: - уточнение, т. е. во сколько раз погрешность детали меньше погрешности заготовки после одного рабочего хода. Из опыта известно, что форма заготовки копируется на детали из-за податливости станка. Связь между погрешностями заготовки и детали выявляется из предыдущего соотношения: — обработка за один рабочий ход. Обработка за два рабочих хода приводит к промежуточной погрешности заготовки ДпроМ: — первый рабочий ход, - второй рабочий ход. Перемножив эти два равенства, получим: - в два рабочих хода. Аналогично получаем зависимости для трех и более рабочих ходов. в три рабочих хода. Таким образом, погрешность обработки Ад обратно пропорциональна жесткости системы при обработке в 1 рабочий ход, квадрату, кубу и т. д. при работе в 2, 3 и т. д. рабочих хода. Влияние жесткости на производительность При токарных. расточных и других работах время обработки Известно, что Тогда машинное время Для того чтобы оценить влияние жесткости на производительность, определим время обработки 1 дм2 =10 000 мм площади поверхности заготовки. Тогда Из теории резания известно, что Тогда, подставляя значение V в Тм, получим: Известно, что отсюда или Тогда машинное время Из уравнения видим, что Тм приблизительно обратно пропорционально жесткости системы усист. Степень влияния жесткости на производительность зависит также от типа инструментального материала и этапа обработки. Так, при черновой обработке стали быстрорежущими резцами 4 /3(1 — у) = = 0,45; при черновой обработке стали твердосплавными резцами 4/3(1 -у) = 0,8...0,87; при чистовом обтачивании 4/3(1 -у) = 1 Таким образом, жесткость является основным параметром, определяющим связь между точностью обработки и производительностью. Конструктивные особенности станков в значительной степени определяют их жесткость. Рассмотрим влияние конструктивных особенностей и способов установки на жесткость станков различных типов. Жесткость токарных станков Жесткость токарных станков зависит от типоразмера станка (высоты центров Н); изношенности станка, качества регулировки стыков; схемы работы; типа посадки патрона на шпиндель; от отношения Ру/Рг (угла φ). Нормативные значения статической жесткости станков приводятся в соответствующих стандартах. Эти нормативные значения устанавливаются как функции от основных размерных параметров станка. Для токарных станков в качестве основного размерного параметра принят наибольший диаметр изготавливаемой детали (D), для горизонтально-расточных станков — диаметр шпинделя (d). В качестве примера приведем нормативные характеристики статической жесткости (Н/мм) для некоторых типов станков. Жесткость токаоных станков: — у передней бабки — у задней бабки Жесткость токарно-револьверных станков: — с поперечным суппортом — с револьверной головкой Жесткость горизонтально-расточных станков: — для шпиндельной бабки Ориентировочные данные жесткости токарных станков, находящихся в эксплуатации при обработке в центрах, приведены в табл. 2.8. Таблица 2.8 Жесткость токарных станков Высота центров 200 250 300 400 500 Жесткость станка jст, Н/мм Средняя жесткость узлов станка j, Н/мм 20 000 40 000 25 000 50 000 30 000 60 000 40 000 80 000 50 000 100 000 Жесткость новых станков несколько выше. Наибольшее влияние на жесткость станка оказывает суппорт, так как он имеет большое число стыков, в том числе подвижных. В зависимости от Ку = Ру/Рг жесткость суппорта может быть даже отрицательной, т. е. его отжатия будут направлены на деталь, а не на рабочего. Жесткость шпиндельного узла (передней бабки) зависит от способа посадки патрона на шпиндель. Посадка на резьбовой конец снижает его жесткость, а фланцевая посадка увеличивает ее. Обычно жесткость шпиндельного узла значительно больше жесткости суппорта. При патронных работах жесткость передней бабки и станка в целом намного ниже, чем в центрах. Жесткость задней бабки в значительной степени зависит от вылета пиноли, качества центрового гнезда, центра (жесткого, вращающегося). При растачивании отверстий на токарных станках их жесткость Значительно понижается из-за низкой жесткости расточной скалки и стыка скалка-суппорт. В этом случае жесткость станка зависит от вылета и диаметра скалки. Деформация часто достигает половины от общей деформации технологической системы. Жесткость расточных станков Жесткость расточных станков зависит от диаметра шпинделя; вылета шпинделя; метода работы: одноопорная скалка, двухопорная; зазоров в стыках (в подшипниках шпиндельного узла); диаметра расточной скалки. Расточные станки обычно имеют невысокую жесткость. При растачивании усилие резания не сохраняет постоянного направления, Рис. 2.41. Схема расположе­ния основных узлов расточного станка как при растачивании на токарном станке. На расточных станках направление сил резания меняется в соответствии с угловым положением шпинделя. Растачивание может производится консольно закрепленной борштангой; борштангой, имеющей вторую опору в задней стойке станка; борштангой, уста­навливаемой во вращающиеся кондукторные втулки с шарнирным соединением со шпинделем. Исследованиями установлено, что стол, стойка (колонна) расточных станков обладают большой жесткостью (80 000...200 000 Н/мм). Смещения в системе происходят в основном за счет деформаций шпиндельной бабки, причем эти деформации различны в различных направлениях. Жесткость самой шпиндельной бабки обычно высока и деформации происходят Рис. 2.42. Схема действия сил на шпиндель (а) и диаграмма его перемещений (б) в стыке бабка-стойка (рис. 2.41). Поэтому при растачивании рекомендуется затягивать болты, крепящие шпиндельную бабку на стойке. Жесткость расточного станка в значительной степени зависит от вылета шпинделя, который рекомендуется выбирать минимально необходимым. Вследствие непостоянства направления силы резания, стыки нагружаются силами переменных направлений, что приводит к различным отжатиям в каждом направлении (рис. 2.42). Жесткость строгальных станков Жесткость строгальных станков зависит от качества регулировки стыков; направления равнодействующей силы резания, т. е. от Ру/Рz и Рx/Рz, вылета резца, суппорта, ползуна. Продольно-строгальные станки обычно обладают высокой точностью (J≥ 100000Н/мм). Жесткость продольно-строгальных станков в основном определяется жесткостью вертикального суппорта и резца. В некоторых случаях при больших вылетах резца может быть получена «отрицательная» жесткость. Жесткость поперечно-строгальных станков переменна и зависит от координат, определяющих положение режущего инструмента (h и l) обработки h и l (рис. 2.43). Обычно Jст < 10 000 Н/мм. При малом вылете ползуна / может наблюдаться «отрицательная» жесткость, при больших / — положительная, что определяется соотношением составляющих момента Рис. 2.43. Схема расположения основных узлов поперечно-строгального станка Суммарная деформация поперечно-строгального станка складывается из деформации стола (всегда вниз) и узлов суппорт-ползун (вниз или вверх) и может быть положительной или отрицательной. Для уменьшения погрешности от упругих деформаций необходимо: — выбирать станки, инструмент, оснастку достаточной жесткости; — уменьшать количество звеньев и стыков технологической системы, повышать контактную жесткость деталей; — создавать предварительный натяг в технологической системе; — выравнивать жесткость технологической системы; — правильно устанавливать и закреплять заготовки; — при экономической целесообразности использовать системы Автоматического регулирования для устранения упругих отжатий; — вести настройку станков с учетом упругих отжатий; — использовать станки, базовые детали которых изготовляются из материалов высокой и сверхвысокой жесткости (например, искусственный гранит); — выбирать наиболее рациональные режимы обработки. В некоторых случаях, уменьшение погрешности от упругих отжатий можно получить регулированием силы резания и жесткости отдельных элементов технологической системы в процессе обработки. Поскольку жесткость технологической системы, например, при точении консольно закрепленного вала в патроне значительно изменяется по длине хода резца, то и изменяется упругое отжатие заготовки при постоянной силе резания. Если силу резания изменять по закону изменения жесткости системы, то упругие отжатая в любой точке на пути резания будут постоянными. Реализация такого способа может быть произведена за счет изменения величины продольной подачи на длине рабочего хода. Лекция 13 2.3.3. Износ режущего инструмента При обработке резанием различают износ режущего инструмента по задней и передней поверхностям, а также износ в направлении перпендикулярном обработанной поверхности (размерный износ). Размерный износ режущего инструмента при работе на настроенном станке приводит к возникновению переменной систематической погрешности обработки. Износ инструмента, как и в целом износ трущихся поверхностей, подчиняется определенным закономерностям. Могут быть выделены три периода работы инструмента, характеризующиеся (рис. 2.44): — начальным (приработочным) износом инструмента на длине пути резания примерно до 1000 м; — нормальным, или установившимся износом; — быстрым, или «катастрофическим» износом. Величина начального износа для резцов зависит от качества режущего и обрабатываемого материалов (твердости, прочности), геометрии инструмента, качества доводки режущих кромок, наличия охлаждения и его качества, вибрации. При установившемся износе изменение размера инструмента происходит относительно равномерно, т. е. имеет место закон равной вероятности. При «катастрофическом» износе происходит разрушение режущей кромки, что аналогично появлению задиров у трущихся пар. Интенсивность износа на участке II называют относительным (удельным) износом u0 Рис. 2.44. Размерный износ (а) и его зависимость от пути резания (б) 88 Зная величину щ, начальный износ ии и длину резания /.можно определить размерный износ инструмента (мкм) по формуле Так, при точении где D и L — соответственно диаметр и длина обрабатываемой заготовки; s — подача на оборот. Величина удельного износа инструмента зависит от метода обработки; материала заготовки и инструмента; режимов обработки (главным образом скорости резания); наличия охлаждения; геометрии инструмента; состояния технологической системы (жесткости, вибраций). Зависимость размерного износа от материала заготовки и инструмента при чистовом точении и растачивании характеризуется табл. 2.9. Таблица 2.9 Начальный и. и относительный и, износ режущих инструментов при чистовом точении и растачивании Материал Износ, мкм заготовки инструмента начальный относительный * Сталь углеродистая и легированная Т15К6, Т30К4 2-8 2-10 Серый чугун ВК4, ВК8 3-10 3-12 Сталь углеродистая и легированная Металлокерамика ЦМ322 1-3 0,5-1 Закаленный чугун НВ400 Металлокерамика ЦМ332 10 8 При фрезеровании износ режущего инструмента происходит интенсивнее, чем при точении, из-за неблагоприятных условий работы инструмента, многократно врезающегося в обрабатываемую заготовку. При абразивной обработке на точность влияет размерный износ Шлифовального круга. При шлифовании круги могут работать с затуплением и с самозатачиванием. В первом случае затупившиеся зерна не отделяются, а поры круга забиваются стружкой; износ круга при этом незначителен. Во втором случае затупленные зерна вырываются из связки круга; износ круга при этом значителен. Интенсивность износа шлифовального круга зависит от его диаметра. Круги большого диаметра, используемые при наружном круглом шлифовании, изнашиваются медленнее, чем круги, используемые при внутреннем шлифовании. При круглом наружном шлифовании круг правят через 15...20 мин работы, при внутреннем — правят перед каждым чистовым переходом. При шлифовании методом пробных ходов износ круга не влияет на точность выдерживаемых размеров. Приближенно износ шлифовального круга можно определить по объему удаляемого металла с заготовки. На один объем материала круга, теряемого при его износе, приходится в среднем 20 объемов удаляемого металла. На основе этого соотношения размерный износ на радиус шлифовального круга, например при плоском шлифовании составит: где F— площадь шлифуемой поверхности, мм2; Z— снимаемый припуск, мм; п — число деталей в партии; Fk — рабочая площадь поверхности шлифовального круга, мм2. Влияние износа инструмента на точность может быть уменьшено поднастройкой станка, применением систем автоматического управления; выбором материала инструмента оптимальной размерной стойкости; выбором наиболее рациональной геометрии режущего инструмента, например, с наиболее рациональными передним, задним углом, радиусом при вершине и т. д.; устранением колебаний при резании; использованием смазочно-охлаждающих жидкостей. 2.3.4. Тепловые деформации технологической системы Исследование тепловых явлений при резании металлов до последнего времени обычно связывалось с изучением вопросов стойкости. Однако эти явления оказывают большое влияние и на точность обработки. Механическая работа резания почти целиком превращается в теплоту, которая распределяется между стружкой, обрабатываемой деталью и инструментом. Некоторая часть рассеивается в окружающую среду. Большая часть теплоты резания уходит со стружкой (60...90 %). В резец переходит незначительное количество тепла (3...5 %). Тем не менее, температура лезвия может достигать весьма высоких значений (1000... 1200° С), что, естественно, вызывает и нагрев тела резца. Рис. 2.45. Вылет резца Рассмотрим расчет тепловых удлинений резца (рис. 2.45) в зависимости от времени обработки при следующих принятых допущениях: — количество теплоты Q, притекающее к резцу в процессе резания в единицу времени есть постоянная величина; — в каждый данный момент температура различных точек головки резца одинаковая. Итак, обозначим: — Q — количество теплоты, притекающее к резцу в процессе резания в единицу времени; — Qi — количество теплоты, отдаваемое резцом в единицу времени в окружающую среду; — Q2 — количество теплоты, идущее на повышение теплосодержания и вызывающее рост температуры, а, следовательно, и удлинение резца. iц Таким образом, притекающая к резцу теплота идет частично на повышение теплосодержания и частично рассеивается. В таком случае, учитывая изменение за бесконечно малый промежуток времени УФ: получим: вде dQx — количество теплоты, отдаваемое резцом за бесконечно малый промежуток времени; dQ2 — повышение теплосодержания за бесконечно малый промежуток времени. где h — коэффициент теплоотдачи F— поверхность резца, отдающая теплоту (м2); t— превышение средней температуры резца над температурой окружающего пространства в данный момент. где т — масса резца; с — удельная теплоемкость. При наступлении теплового равновесия температура резца стабилизируется, т. е. где tc — разность между максимальной средней температурой резца и температурой окружающей среды. Тогда При расчете принималось, что Q есть постоянная величина в процессе резания, поэтому Обозначим Тогда Рассмотрим уравнение теплового удлинения резца. где α— коэффициент линейного удлинения тела резца; l — длина рабочей части резца; ξ— удлинение резца в какой-то момент; ξc — удлинение резца, соответствующее тепловому равновесию, откуда Подставим эти значения в формулу Проинтегрируем или Зависимость теплового удлинения резца от времени обработки при непрерывной работе показана на рис. 2.46. На рис. 2.47, а приведены кривые изменения длины резца при его нагревании и охлаждении. На рис. 2.47, б приведены схемы изменения размеров резца при изготовлении партии деталей и образования погрешностей размера й формы деталей. В зависимости от соотношений Рис. 2.46. Зависимость удлинения резца от времени работы времени работы и перерывов возможны три случая: →погрешность Рис. 2.47. Схемы изменения удлинения резца при работе с перерывами: τр— время работы; τп — время перерыва →погрешность рассчитывается по формуле → погрешность Зависимость удлинения резца от различных факторов Время нагревания резца определяется постоянной Тс, которая, как показали эксперименты, лежит в пределах 3...6 мин. Если принять среднее значение Tс = 4 мин (что соответствует времени наступления теплового равновесия при резании в течение 16 мин), то получим формулу для каких-то усредненных условий обработки На основе опытных данных для острого резца при t≤1,0 мм, S≤ 0,2 мм/об, V= 100...200 м/мин, выведена эмпирическая формула для работы без охлаждения. где Lp — вылет резца, мм; F— сечение резца, мм2; а, — предел проч­ности обрабатываемого материала, кг/мм2; С— некоторая постоянная, зависящая от условий резания, в частности, для чистовых режимов, приведенных выше, можно принять С≈4,5. Используя зависимости для ξи ξс, можно найти удлинения резца для разных моментов времени и различных условий обработки. Тепловые деформации станков Основными причинами, вызывающими тепловые деформации станков являются: — тепло, выделяющееся в узлах станка из-за потерь на трение в подшипниках и зубчатых передачах; — тепло, образующееся в зоне резания; — тепло от внешних источников; — различные устройства: гидравлические, электрические и др. Рис. 2.48. Зависимость тепловых деформаций шпинделя токарного станка от времени работы Рис. 2.49. Схем деформаций шпинделя токарного станка в горизонтальном и вертикальном направлениях Зависимости тепловых деформаций узлов станков от времени работы, также, как и режущего инструмента — экспоненциальные. График (рис. 2.48) показывает смещение шпинделя в вертикальном направлении для различных частот его вращения (л). Обычно станки испытываются вхолостую, так как считается, что при чистовых режимах тепловые деформации особо различаться не будут от тепловых деформаций холостого хода. При работе токарного станка в основном нагревается передняя бабка вследствие трения в подшипниках и зубчатых передачах (рис. 2.49). :Ось шпинделя может смещаться в горизонтальном направлении на рабочего или от рабочего в зависимости от способа крепления [шпиндельной бабки на станине. Тепловые деформации элементов технологической системы оказывают наибольшее влияние на точность обработки при шлифовании. По данным ЭНИМСа, за полтора часа работы шпиндели бесцентрово-шлифовальных станков смещаясь на 0,12 мм, а круглошлифовальных — на 0,05...0,06 мм. L По данным СПбГПУ, у плоскошлифовального станка тепловые if деформации его узлов в вертикальном направлении за 7 ч работы вхолостую составили: шпинделя — 0,21 мм, а стола —0,12 мм. Знание величины тепловых деформаций станка необходимо, в частности, для выбора места установки приборов активного контроля (особенно на шлифовальных станках). Для уменьшения влияния тепловых деформаций необходимо ру-ководствоваться следующими рекомендациями: — обеспечивать постоянство теплового поля в зоне установки станка путем поддерживания в цехе нормального теплового режима, в том числе создание специальных помещений с терморегулированием, путем предохранения оборудования от солнечных лучей и т. д.; — разрабатывать специальные конструкции для автоматической компенсации тепловых деформаций; — проектировать конструкции с тепловыми перемещениями, в направлениях, не влияющих на точность; — выносить узлы, тепловые деформации которых существенно влияют на точность обработки, за пределы станка, например, встроенные электродвигатели, резервуары с маслом или охлаждающей жидкостью и т. д.; — применять охлаждение встроенных электродвигателей, приводов и т. п. путем выполнения развитых поверхностей теплоотвода, принудительного воздушного охлаждения, циркуляционной смазки и т. д. Тепловые деформации изготавливаемой детали В некоторых случаях, например при обработке массивных заготовок, тепловыми деформациями можно пренебречь. Однако в большинстве случаев, нагрев заготовок может быть значительным. Наибольшие тепловые деформации возникают при обработке тонкостенных заготовок (трубы, тонкие пластины), а также в тяжелом машиностроении, там, где черновую обработку невозможно отделить от чистовой. Аналогичная ситуация создается на поточных линиях, где чистовая обработка следует сразу же за черновой. Иногда производится замер температуры пробной заготовки в нескольких местах, вычисляется средняя температура tср и вводится коррекция положения инструмента при обработке последующих заготовок. Одной из нескольких погрешностей, которые не удается компенсировать при применении приборов активного контроля, являются тепловые деформации. Рис. 2.50. Влияние теп­ловых деформаций на погрешность формы вала По данным СПбГПУ, тепловые деформации при токарной обработке вала диаметром Ø80 мм, длиной l = 800 мм, составили 0,012 мм, при этом форма вала в продольном сечении имела вид, показанный на рис. 2.S0. При врезном шлифовании шейки Ø 70 мм шириной В = 50 мм тепловые деформации детали в радиальном направлении составили 0,004...0,011 мкм. Лекция 14 2.3.5. Геометрические неточности станков и режущего инструмента Вследствие погрешностей изготовления основных деталей, их износа, неточностей сборки возникают отклонения основных точностных характеристик станков от номинальных значений. Величины допускаемых отклонений регламентируются нормами точности и приведены в стандартах. Точность станков в ненагруженном состоянии называется геометрической. Погрешности от геометрической неточности увеличиваются по мере износа станков. По точности металлорежущие станки классифицируются на 5 групп. Геометрические погрешности станков более высоких точностных групп значительно уменьшаются, а трудоемкость их изготовления резко возрастает. По отношению к характеристикам станков нормальной точности погрешности станков других групп и трудоемкость их изготовления составляют в процентах к погрешностям и трудоемкости изготовления станков нормальной точности величины, приведенные в табл. 2.10. Таблица 2. 10 Классификация станков по точности Группа станков Погрешность, % Трудоемкость изготовления, % Нормальной точности (Н) 100 100 Повышенной точности (П) 60 140 Высокой точности (В) 40 200 Особо высокой точности (А) 25 280 Особо точные (С) 16 450 Е В настоящее время начата разработка станков сверх особо высокой точности, которые относят к группам точности Т и К. Погрешности обработки на станках этих групп не должны превышать величины 5,3 мкм для группы Т и 0,1 мкм для группы К. L К основным характеристикам геометрической точности станков относят: fb — радиальное и торцевое биение шпинделей; й — биение конического отверстия в шпинделе; L — прямолинейность и параллельность направляющих; L — параллельность осей шпинделей токарных станков направлению движения кареток в вертикальной и горизонтальной плоскости; ш — перпендикулярность осей шпинделей сверлильных станков относительно плоскости столов и др. Данные о фактических погрешностях заносятся в паспорт станка при его испытаниях и обновляются после проведения ремонтов и пригонок в процессе эксплуатации. Геометрические погрешности станков являются постоянными величинами и не влияют на точность размеров обрабатываемых поверхностей, однако способствуют искажению их форм и относительного расположения, поэтому они должны быть учтены при назначении способа обработки. Следует иметь в виду, что точность деталей станков и их взаимного положения должны быть выше требований к точности изготавливаемой детали. Так, стандарты предусматривают следующие предельные значения для некоторых геометрических погрешностей станков: — радиальное и осевое биение шпинделя для токарного станка нормальной точности (Н) — 10 мкм; — прямолинейность продольного перемещения суппорта — 12 мкм на длине 500 мм и 16 мкм на длине 800 мм. — для станков нормы точности А и С необходимо обеспечивать постоянство температуры в производственных помещениях. Необходимо иметь в виду, что стандартом определяются нормы точности для новых станков. Для станков, находящихся в эксплуатации необходимо вводить корректировки в эти нормы при расчете точности, учитывающие степень износа узлов станка. Так, износ направляющих токарных станков, используемых для чистовой обработки, за один год составляет 0,04...0,05 мм, а для черновой 0,10...0,20 мм. Обычно максимальный износ направляющих станка имеет место вблизи патрона. Погрешности геометрической точности станков полностью или частично переносятся на обрабатываемые заготовки в виде систематических погрешностей. Например, отклонение от параллельности оси шпинделя токарного станка направлению движения суппорта в горизонтальной плоскости приводит к появлению конусообразности у обрабатываемой заготовки; в вертикальной плоскости — к гиперболоиду вращения. Биение шпинделя токарных и круглошлифовальных станков искажает форму обрабатываемой заготовки в поперечном сечении. Биение оси конуса отверстия шпинделя сверлильного станка по отношению к оси вращения шпинделя вызывает разбивку отверстия, т. е. увеличение его диаметра. Износ станков приводит к увеличению систематической погрешности обрабатываемых заготовок. Деформации станков при их неправильном монтаже и также под действием сил при оседании фундаментов вызывает дополнительные систематические погрешности обработки заготовок. Для уменьшения влияния геометрических неточностей станков на качество обработки необходимо: — выбирать станки соответствующей точности; — обрабатывать установочные поверхности приспособлений на месте их установки (если необходимо); — в процессе эксплуатации станка вести регулировку, выборочную подгонку, необходимый ремонт; — использовать различные компенсирующие и корригирующие устройства, (например, копировальные линейки на координатно-расточных станках), в том числе системы ЧПУ; — применять подшипники высоких классов точности, вести их доводку; использовать подшипники на гидростатических, пневматических и магнитных подвесах; — обеспечивать выборку зазоров в соединениях деталей и частей станка (например, натяг в соединении винт-гайка). Геометрические неточности режущего инструмента приводят к погрешностям обработки в основном при использовании мерных и фасонных инструментов — разверток, зенкеров, сверл, канавочных резцов, пальцевых и червячных фрез, фасонных резцов, фрез, долбяков, шлифовальных кругов, протяжек и т. д. Отклонение размеров таких инструментов непосредственно переносится на заготовку. Однако при этом часто возникают дополнительные погрешности размеров и формы, вызываемые условиями обработки. Так, при работе мерными инструментами без охлаждения на режимах резания, способствующих нагреву инструмента и наростообразованию, часто появляется положительная разбивка, увеличи­вающая размеры отверстий, пазов, достигающая нескольких сотых долей миллиметра. Так, при точении стальной заготовки канавочным резцом из твердого сплава Т15К6 шириной 5 мм без СОЖ за счет раз­бивки ширина паза увеличивается на 0,01...0,03 мм. Наименьшая разбивка имеет место при обработке хорошо заточенным и доведенным инструментом. Разбивка увеличивается по мере притупления инструмента. Например, при работе новыми развертками величина разбивки составляет 5... 10 мкм, при работе приработанными развертками 10...30 мкм. Применение охлаждающих жидкостей снижает разбивку в несколько раз. При небольших скоростях резания (порядка 6... 10 м/мин), наличии обильного охлаждения, недостаточной жесткости заготовок (особенно типа втулок при протягивании, развертывании, дорновании) возможна отрицательная разбивка за счет упругих деформаций инструмента и заготовки. На точность отверстий и пазов при обработке сверлами, зенкерами; пальцевыми фрезами влияет равномерность заточки режущих зубьев, биение инструментов, обратная конусность, неточность установки инструмента. Допуски на изготовление мерных инструментов рассчитываются с учетом допусков на размеры детали, допустимого износа инструмента и возможной разбивки при обработке. Например, максимальный размер развертки при конструировании берется с учетом максимальной разбивки. С целью уменьшения влияния погрешностей режущего инструмента на точность обработки необходимо: — выбирать инструмент соответствующей точности; — выбирать наиболее рациональные режимы резания; — применять СОЖ; — правильно устанавливать инструмент; — использовать кондукторные и направляющие втулки. 2.3.6. Деформации заготовок, вызываемые внутренними напряжениями Внутренними или остаточными называют напряжения, существующие в заготовке при отсутствии внешних нагрузок. Они полностью уравновешиваются, а их действие в заготовках не проявляется. В технологии машиностроения, в основном, изучаются напряже­ния, уравновешивающиеся в пределах больших объемов, соизмеряемых с размерами заготовок. Нарушение равновесия, вызываемое снятием припуска, термообработкой или другим воздействием, приводит к деформации обрабатываемых заготовок. Внутренние напряжения в заготовках и деталях возникают при неравномерном остывании заготовок при литье (например, из-за разностенности); ковке и штамповке; сварке; термообработке; механической обработке (лезвийной и давлением); гальванопокрытиях. Особенно характерны внутренние напряжения для крупных, нежестких и тонкостенных заготовок. После удаления напряженных слоев металла при обработке происходит перераспределение внутренних напряжений до нового равновесного состояния. Перераспределение напряжений вызывает деформацию заготовок, приводящую к погрешностям формы и относительного расположения поверхностей. В некоторых случаях внутренние напряжения достигают больших значений и могут служить причиной появления трещин и саморазрушения заготовок (характер­но для заготовок из хрупких материалов, например, чугуна). Например, при закалке ТВЧ стальных деталей в поверхностных слоях появляются растягивающие напряжения, а в сердцевине — сжимающие. После снятия припуска из-за перераспределения напряжений происходит деформация деталей. Особенно характерны подобные деформации при изготовлении зубчатых колес. Практика показывает, что наличие упрочняющей термообработки приводит к потере точности зубчатого колеса приблизительно на одну единицу степени точности. Расчеты и определение погрешностей из-за внутренних напряжений трудоемки. Внутренние напряжения и их влияние на точность деталей могут быть уменьшены следующими мерами: — выравниванием толщины стенок и температуры охлаждения заготовок (например, охлаждение вместе с печью, применение специальных холодильников при отливке); — естественным старением отливок в течение 6... 12 месяцев обычно после их обдирки. Применяется преимущественно для крупных заготовок. В некоторых случаях при изготовлении особо точных станков используются базовые детали станков, отработавших несколько лет, и, следовательно, не имеющие внутренних напряжений; — искусственным старением методом термообработки, заключающимся в медленном нагреве до температуры 500...600° С, выдерживании при ней втечение 1...6 ч и охлаждении в печи до 15O...2OO0 С, и затем на воздухе; — отжигом и отпуском поковок, штамповок и сварных загото­вок; — дробеструйной обработкой заготовок; — разработкой наиболее рациональной конструкции заготовок, особенно сварных, режима сварки заготовок; — выбором и применением наиболее рационального способа и режимов термообработки деталей; — выбором рациональных способов, режимов механической обработки, последовательности и сочетания операций, переходов и рабочих ходов; — применением виброобработки (например, с помощью вибраторов). Некоторые станкостроительные фирмы используют с этой целью воду, выдерживая ответственные детали в водопадах; — применением после предварительной и черновой обработок заготовок термообработки (отжиг, нормализация). Для ответственных деталей возможно применение неоднократных промежуточных термообработок; — применением для изготовления ответственных деталей (станин, стоек и т. п.) специальных искусственных материалов, не имеющих внутренних деформаций Лекция 15 2.3.7. Размерная наладка станков В соответствии со стандартами ЕСТД наладкой называется подготовка технологического оборудования и технологической оснастки к выполнению технологической операции. Часть наладки, относящаяся к установке инструмента, рабочих элементов станка, установочных элементов приспособления в положение, которое обеспечивает получение размера в поле допуска, называется размерной наладкой станка. Цель размерной наладки станка заключается в придании режущему инструменту такого оптимального положения относительно установочных элементов станка или приспособления, которое надежно обеспечит получение действительных размеров обрабатываемых деталей в заданных пределах при возможно большей продолжительности работы до подналадки (рис. 2.51). Наладочный размер — такое начальное значение среднего текущего размера на диаграмме точности обработки, при котором исключается опасность случайного перехода действительных размеров обрабатываемых деталей за непроходную границу поля допуска и достигается наибольшая возможная продолжительность работы до подналадки. Подналадкой называется дополнительная регулировка технологического оборудования и (или) технологической оснастки Рис. 2.51. Схема расположения диаграммы точности в поле допуска Рис. 2.52. Схема для расчета наладочного размера: Д_ —суммарное значение закономерно изменяющихся погрешностей; Г—допуск размера при выполнении технологической операции для восстановления достигнутых при наладке значений параметров. В переводе на математический язык процесс наладки состоит в том, чтобы обеспечить совпадение середины поля мгновенного рассеивания с наладочным размером; а смещение центра группирования относительно Ач» и является погрешностью самой наладки. Учитывая погрешность размерной наладки, полное рассеивание Ар при обработке будет состоять из рассеивания, обусловленного причинами, приведенными выше, и рассеивания, обусловленного погрешностью самой наладки Ар„. Схема для расчета наладочного размера представлена на рис. 2.52. В соответствии с рисунком наладочные размеры рассчитываются следующим образом: А..Р - Anin + -у- + До + Аизм - для вала, L*.v = An»------ — До — Аизм — для отверстия, гДе Anim» An» ~ соответственно минимальный и максимальный размеры детали; Ар — полное рассеивание размеров, вызванное случайными погрешностями; \ — возможное превышение в начальный момент работы тепловых деформаций технологической системы над размерным износом режущего инструмента; А^,, — погрешность измерения. Для того чтобы установить режущий инструмент в требуемое положение, соответствующее наладочному размеру Аф, используются следующие основные методы наладки станков. Наладка методом пробных стружек и промеров Эта наладка производится отдельно для каждой обрабатываемой заготовки и имеет динамический характер, т. е. выполняется при упруго отжатой силами резания технологической системе. Сущность наладки состоит в том, что рабочий выполняет установку инструмента в определенное положение относительно заготовки, обрабатывает небольшой начальный участок поверхности, измеряет полученный размер и корректирует положение режущего инструмента (по лимбу, индикаторному упору или иным способом) так, чтобы действительный размер на наладочном участке детали получить равным расчетному значению наладочного размера. Эта регулировка, при необходимости, выполняется несколько раз. После того как таким образом отрегулировано положение инструмента, обрабатывают всю поверхность заготовки. Такая наладка автоматически учитывает весь комплекс действительных условий обработки каждой заготовки: величину снимаемого припуска и механические свойства металла для наладочного участка заготовки, состояния режущей кромки инструмента и действительную микрогеометрию обработанной поверхности. Поэтому колебание размерной и механической характеристик разных заготовок и постепенное притупление резца сказываются лишь на неточностях формы деталей, но не вызывают рассеивания размеров, обусловленного вышеперечисленными факторами. Таким образом, поле рассеивания размеров деталей, обусловленное специфическими особенностями метода наладки, включает в себя поле погрешности измерения при наладке Аизм и поле погрешности регулирования положения инструмента АреГ. Причем ДреГ должно быть меньше А^. Общее принципиальное выражение для поля рассеивания размеров при такой наладке. где к — коэффициент, учитывающий закон распределения случайных погрешностей. Достоинством такого метода наладки является простота и наглядность метода, возможность его применения при любом базировании и сравнительно малая величина поля рассеивания размеров. Наладка методом пробных стружек и промеров применяется в единичном и мелкосерийном производствах и при изготовлении крупных деталей из заготовок с нестабильными припусками. Размерная наладка по пробным деталям Наладка динамическая производится в три этапа: — предварительная наладка; — статистическая проверка положения центра группирования; — регулировка положения инструмента (коррекция) по результатам проверки. Предварительная наладка производится по первой пробной заготовке способом пробных стружек и промеров. Затем при неизменном положении режущего инструмента изготавливаются несколько пробных деталей. Статистическая проверка заключается в том, что все пробные детали тщательно измеряют. По размаху колебаний их размеров судят о правильности расчета поля рассеивания, а среднее арифметическое размеров пробных деталей принимают за характеристику достигнутого положения центра группирования где т — количество пробных деталей. Если среднее значение размеров пробных деталей отличается от расчетного наладочного размера */нр, то положение инструмента регулируют так, чтобы привести центр группирования d^ к его расчетному положению Затем обрабатывается вся партия заготовок. Для определения отклонения среднего размера пробных деталей от действительного центра группирования размеров партии деталей рассмотрим некоторые сведения из математической статистики. Если распределение размеров партии деталей подчиняется нормальному закону со средним квадратичным распределением а, то при разбивке партии на группы по «т» штук в каждой группе, распределение групповых средних подчиняется тому же закону, но со средним . квадратичным отклонением Рассмотрим пример для п = 100 деталей. Разобьем партию деталей на 20 групп, т. е. т = 5 деталей. Вычислим L^, для 20 групп. После рассеивания 20 размеров Lcps будет равно т. е. размеры Lcp5 будут колебаться в пределах 6аср$ = Ар.Ф5-Таким образом, после изготовления «т» пробных деталей среднее арифметическое Рис. 2.53. Схема для опреде­ления погрешности положе­ия центра группирования размеров всей партии деталей этой группы деталей dm может отличаться от средней арифметической всей совокупности d не более чем на (рис. 2.53). Отличие dm группы пробных деталей от действительного центра группирования и будет погрешность Др**. Таким образом, погрешность размерной наладки по пробным деталям включает погрешности, возникающие на всех этапах проведения размерной наладки Рекомендации по размерной наладке методом пробных деталей Способ рассчитан на ожидание пренебрежительно малого размерного износа при изготовлении пробных деталей, ибо только в этом случае колебание действительных размеров пробных деталей будет правильно отражать влияние отжатий технологической системы. При измерении пробных деталей следует использовать универсальные измерительные средства повышенной точности A.^ < (0,1.. .0,05)/ Т. Для предотвращения неисправимого брака пробных деталей из-за ошибок в расчете Ар, на 1-й стадии наладки можно принять в качестве предварительного наладочного размера средний размер готовой детали Достоинствами этого метода наладки являются сокращение вспомогательного времени по сравнению с работой по промерам и пробным рабочим ходам. Повышаются точность и надежность наладки, подкрепленные непосредственной опытной проверкой положения центра группирования и размаха колебаний размеров. Недостатками являются сравнительная сложность наладки и все-таки значительные затраты вспомогательного времени (до 20 % от общего фонда времени механической обработки). Для устранения этого недостатка следует заменять наладки подналадками. Основной областью применения этого метода является серийное производство деталей со сравнительно небольшой площадью обрабатываемой поверхности. Размерная наладка по калибрам наладчика В случае использования обычных предельных калибров резко возрастает возможность появления брака. Это видно, например, из расположения полей допусков предельных калибров для контроля отверстий (рис. 2.54). Использование таких предельных калибров дает информацию лишь о том, что резец находится в пределах поля допуска, но где — неизвестно. Резец может находиться у верхней или у нижней границы поля допуска детали. Если резец находится у нижней границы поля допуска, то при дальнейшей обработке может появиться заготовка, у которой припуск максимальный и отжатие резца приведет к выходу размера за нижнюю границу поля допуска (появится брак исправимый). Если резец находится у верхней границы поля допуска, то при дальнейшей обработке вследствие нагревания резца размер отвер- Рис. 2.S4. Схема расположения полей допусков предельных калибров-пробок Рис. 2.SS. Схема расположения номинальных размеров калибров наладчика в поле допуска детали стия может выйти за верхнюю границу поля допуска (появится брак неисправимый). Для исключения возможности в начальный момент выхода размера за верхнюю или нижнюю границы поля допуска используют специальные калибры наладчика (с суженной разницей между номинальными размерами Н-ПР и Н-НЕ калибров по сравнению с полем допуска детали (рис. 2.55). Погрешность размерной наладки равна разности между номинальными размерами проходного и непроходного калибров наладчика, т. е. Недостатками этого метода являются: — введение специальных калибров сильно осложняет калибровое хозяйство; — необходимость получения пробных деталей с размерами соответствующими малой величине Тн замедляет наладку; — наладчик не может оценить значение погрешности наладки и направление какую же сторону произвести корректировку размера. Областью применения этого метода размерной наладки является массовое и крупносерийное производства. Статическая наладка Заключается в том, что установка режущего инструмента относительно станка и приспособления производится при неработающем Рис. 2.56. Схема для расчета наладочного размера станке, т. е. при отсутствии отжатий технологической системы. Режущий инструмент устанавливается по «эталону», представляющему собой макет обрабатываемой детали (валик, кольцо, шаблон, габарит), причем правильность положения инструмента проверяется протаскиванием щупа или мерной бумаги между лезвием инструмента и эталоном. Размер, который бы получился у детали при установленном таким образом инструменте, если бы технологическая система была абсолютно жесткой (/ = °°. to = 0), а обработанная поверхность детали не имела бы микронеровностей (шероховатостей) (Rz ~ 0), называется размером статической наладки (рис. 2.56). где у — поправка на среднюю величину упругой деформации технологической системы; Rz — поправка на среднюю величину шероховатости. где Л„ — погрешность изготовления или измерения эталона; Дустинсп. ~ погрешность установки инструмента по эталону; Д^ — погрешность определения поправки. Достоинствами этого метода являются малые затраты времени по сравнению с методом настройки по пробным деталям и сравнительная простота. Недостатком является небольшая точность из-за влияния Ауст.„нсгр-По истечении времени наладка сбивается и ее необходимо периодически возобновлять. Для сокращения потерь времени рекомендуется заменять наладки подналадками. На станках с ЧПУ используется взаимозаменяемая подналадка для резцов с многогранными неперетачиваемыми пластинами (МНП).Такая подналадка осуществляется путем замены изношенного инструмента новым, имеющим размер (Ц,) и режущую способность такие же, какие имел заменяемый инструмент до износа; при этом режимы резания и положение подвижных частей станка (стол, суппорт) в направлении выдерживаемого размера не меняются. На­ладка резцов (инструментов) производится вне станка (рис. 2.57). При этом все элементы инструментальной подсистемы станка участвуют в размерной наладке, каждый из них имеет свою систему координат, положение и погрешность. На рис. 2.58 показана схема размерной цепи наладки для токарного станка с ЧПУ, в которой радиус детали (А^) является замыкающим размером Рис. 2.57. Схема наладки взаимозаменяемого резца с МНП В уравнении использованы следующие обозначения: Х^ — координата исходной точки в системе станка; Хы — величина вспомогательного хода резцедержателя; Х\2 — координата вспомогательного инструмента в системе резцедержателя; Ха — координата державки резца в системе вспомогательного инструмента; ХЗА — координата центра МНП в системе державки; А^5 — координата вершины резца в системе пластины. Если размерная наладка инструмента на станке с ЧПУ производится методом полной взаимозаменяемости, то при этом в размерную цель включают все звенья инструментальной подсистемы. В этом случае суммарная погрешность статической наладки будет опреде­ляться следующим образом: При методе полной взаимозаменяемости может быть обеспечена минимальная трудоемкость размерной наладки, но при этом требуется высокая точность всех элементов инструментальной системы. Обычно используют метод неполной взаимозаменяемости. Метод заключается в том, что звенья Х23, Хц, Л45 (рис. 2.59) заменяют одним звеном X1S. Размерная цепь становится короче: Хц — Лю — - {Хы -+ Ххг + X2S) и требуемую точность получить легче, чем в предыдущем случае. Рис. 2.58. Размерная цепь наладки для токарного станка с ЧПУ Рис. 2.59. Размерная цепь при наладке инструмента вне станка Наладку цепи осуществляют вне станка на специальных приспособлениях. Недостатками являются: необходимость использования специальных устройств; потребность в дополнительной площади; размерная цепь все же остается достаточно сложной; не компенсируются ошибки позиционирования, поворота револьверной головки, установки державки инструмента в головке и др.; не могут быть в полной мере реализованы преимущества МНП, ибо поворот пластин осуществляется вне станка при снятом блоке. Для повышения точности размерной наладки производится комбинированная наладка, при которой настройка блока производится вне станка, а коррекция положения вершины резца осуществляется на станке с помощью специальных устройств (рис. 2.60). Станок снабжают преобразователем для измерения положения вершины резца. Резец устанавливают в резцедержатель, затем по программе перемещают к датчику, который определяет погрешность положения вершины и автоматически вводит коррекцию в перемещение резца при позиционировании. При данном методе образуются две размерные цепи. Цепь коррекции начального положения инструмента Хм^Хбт + Хт и цепь точности статической наладки Xse-Xoe- AJ)5, которая содержит всего три звена. На станках с ЧПУ для повышения точности наладки используют и другие приемы. Например, автоматизированный метод пробных рабочих ходов, при котором резец перемещается по программе к заготовке и снимает пробную стружку, затем происходит Рис. 2.60. Комбинированная размерная наладка автоматическое определение действительного размера, сравнивание его с заданным и автоматическая коррекция траектории инструмента.