Основы ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Исследование влияния силового фактора на точность обработки

Во время обработки заготовок на станке действуют различные силы, поэтому представляет практический интерес исследование влияния каж­дой из них на погрешность обработки, что позволит установить силы, оказывающие доминирующий характер на погрешность обработки, и определить, на какой показатель точности они влияют; на этой основе предусмотреть соответствующие мероприятия по сокращению погреш­ности обработки.

Рассмотрим пример токарной обработки вала в центрах с односто­ронним поводком. Технологическая система находится под воздействи­ем: силы резания; силы, передаваемой поводком; центробежной силы, обусловленной неуравновешенностью заготовки и массой вращающихся деталей технологической системы. Чтобы исследовать влияние каждой из перечисленных сил на точность обработки экспериментальным методом, приходится сводить к минимуму влияние других сил, а это сложно и не всегда возможно. Например, нельзя уменьшить массу деталей или ис­ключить действия какой-либо составляющей силы резания. Применение метода математического моделирования позволяет это делать.

Влияние силового фактора на погрешность обработки сказывается через упругие перемещения технологической системы, которые, в свою очередь, зависят от жесткости элементов технологической системы. По­этому, чтобы исследовать механизм образования погрешности обработки под воздействием силового фактора, надо знать упругие перемещения элементов технологической системы и их влияние на погрешность обра­ботки. С этой целью воспользуемся эквивалентной схемой технологиче­ской системы токарного станка.

На рис. 1.9.14 показан токарный станок с координатными система­ми: £д, построенной на технологических базах заготовки (левый торец и технологическую ось, соединяющую оси центровых отверстий); Х,„ по­строенной на посадочных шейках шпинделя и переднего торца шпинде­ля; которая строится на направляющих станины и L„, построенной на исполнительных поверхностях резцедержателя.

Методом математического моделирования токарной обработки ва­лов на универсальном токарно-винторезном станке была получена карти­на упругих перемещений в каждой из опорных точек координатных сис­тем £„, £„> 2» имеющих место во время обработки. Упругие перемещения рассчитывались для следующих условий: обрабатывался вал из стали 45 диаметром 60 мм и длиной L = 400 мм; резцом с углами сс = 12°, у = 5°,

Ф = 45°, радиусом закругления г = 1 мм и с режимами / = 4 мм, S = 0,4 мм/об, v = 100 м/мин.

Зависимости упругих перемещений (к,) опорных точек координат­ных систем от угла поворота ф показаны на рис. 1.9.14. Принадлежность каждого графика соответствующей опоре показана стрелкой-указателем

Для расчетов жесткость каждой из опорных точек была принята равной 50 ООО Н/мм.

Теперь процесс образования упругого перемещения на замыкающем звене можно рассматривать как функцию изменения упругих перемеще­ний каждой опоры в зависимости от поворота заготовки. На рис. 1.9.14 показаны зависимости этих перемещений при обработке трех попереч­ных сечений (У, 3, 5) детали, расположенных по ее длине через равные промежутки.

Рассмотрим образование погрешности обработки, вызванной упру­гими перемещениями, с обработки крайнего правого поперечного сече­ния детали, расположенного у задней бабки станка. Все перемещения опорных точек координатных систем при обработке этого сечения пока­заны на рис. 1.9.14 сплошной линией. Из графиков следует, что измене­ния упругих перемещений А<4з опорной точки 4Ъ координатной системы I., относительно координатной системы Е„ за оборот подчиняются синусои­дальной зависимости, а графики перемещений Х2з точки 23 - подчиняются той же зависимости, только со смещением по фазе на 90°, так как точка 2., повернута относительно точки 4г на 90°. Наличие гармонических колеба­ний указанных упругих перемещений в течение оборота детали объясня­ется тем, что деталь вращается вместе со шпинделем, поэтому опорные точки вращаются относительно постоянного по направлению действия силы резания, в результате на опоры действует сила резания Pcoscp. Пе­ремещения Х3д и Хід опорных точек ід и Уд координатной системы Хл, рас­положенных у передней бабки, по характеру совпадают с перемещения­ми соответственно Х4д и Х2д, но амплитуды их перемещений значительно меньше, что объясняется удаленностью точки приложения вектора силы резания по оси Хд. Кроме того, все графики упругих перемещений Х1д при обработке всех трех сечений смещены вверх по оси ординат. Это смеще­ние вызвано действием силы Р„, передаваемой односторонним поводком, расположенным на оси Zn и направленной по оси Уп.

Перемещения Х3д опоры 5Д вдоль оси Х„ во всех случаях одинаковы, как и перемещения поводка.

В итоге перемещений опорных точек координатной системы X,, при обработке детали у задней бабки радиус-вектор установки заготовки г' оказывается переменным в течение оборота, как по величине, так и по направлению (см. рис. 1.9.14, графики г'у - ср, РУ - ср). В соответствии с

Выводами по исследованию влияния отклонений размерных параметров относительного движения на точность обработки изменение 7 одновре­менно по величине и направлению должно вызвать на детали в попереч­ном сечении погрешность в виде смещения профиля (эксцентриситета) и геометрической формы.

Рассмотрим перемещения опорных точек координатной системы Х„ относительно координатной системы I (принимаемой за неподвижную систему) при обработке заготовки у задней бабки. Из графиков А.1п - <р; Х.2п - ф; А.3п - ф; - ф; А.5п - ф видно, что упругие перемещения опорных точек /п, 2П, Зп, 4т 5П координатной системы tn в течение оборота детали остаются постоянными по величине. При обработке заготовки в других сечениях они также постоянны в течение оборота и отличаются лишь величиной, что объясняется изменением координаты точки приложения вектора силы резания. Аналогичная картина наблюдается в упругих пе­ремещениях опорных точек У и - 5„ координатной системы 1и за исключе­нием того, что величины перемещений постоянны и при обработке заго­товки по всей длине, так как изменение координаты точки приложения силы резания по длине детали на перемещения системы £и практически не влияет.

Отсюда следует, что радиус-вектор настройки FH' в течение оборота детали сохраняется постоянным и, следовательно, все искажения и сме­щения профиля поперечных сечений детали обусловлены изменением только радиус-вектора установки.

Радиус-вектор настройки Рн' изменяется только по величине вдоль заготовки, что приводит к погрешности диаметрального размера и гео­метрической формы в продольном сечении.

На рис. 1.9.14 также показаны пять профилей сечений детали, по­строенных в виде круглограмм по результатам математического модели­рования, которые наглядно показывают, как изменяется смещение про­филя относительно оси, являющейся технологической базой, и как посте­пенно меняются от передней к задней бабке размеры поперечных сече­ний и их форма.

Картина упругих перемещений опорных точек показывает, как ведет себя не только каждая деталь размерной цепи радиуса детали в попереч ном сечении в каждый момент обработки, но и каждая опорная точка, и это является не только качественной, но и количественной оценкой упру гих перемещений.

Моделирование на ЭВМ позволяет вычислять погрешность обра ботки от каждой действующей силы, не нарушая процесс обработки. С целью анализа действия сил резания, тяжести, инерции и силы, переда­ваемой односторонним поводком, в качестве объекта исследования был

Принят процесс токарной обработки гладкого вала диаметром 95 мм из стали 45 длиной L = 495 мм, установленного в центрах с односторонним поводком с эксцентриситетом е = 1,5 мм. Обработка осуществлялась резцом с углами а = 12°, у = 5°, ф = 45° и режимами резания t = 4 мм, 5 0,4 мм/об. v = 200 м/мин. Жесткости опор координатных систем были приняты рак ными:у, д =j2д =узд =У4д ~ j5а =7бд = 98 ООО Н/мм;у]п =у3п =jin = 19 600 1 (/мм: ;2п = 13 720 Н/мм;у4п = 11 760 Н/мм;;2и =;5и = 78 400 Н/мм; у3и /|и = 49 000 Н/мм;у'і„ = 68 600 Н/мм.

Для приведенных выше условий обработки были рассчитаны силы Pz, Pv, Рх, Рт Ф1, G через каждые 30° поворота детали при обработ ке шее ти поперечных сечений детали, расположенных через равные промежут­ки по длине детали. По результатам математического моделирования токарной обработки рассчитаны упругие перемещения опорных точек координатных систем Ед, Е„, 1и, вызванные действием разного сочи і амия сил G; G + Фг; G + Фг + Рх\ G + Фг 4 рх <■ pr - G + Ф' + /\ ' /', > /' , G + Фг + Рх + Ру + Рг + Рп. На основании этого расчета были определены (в качестве примера) погрешности обработки в пяти поперечных сечени­ях 1 - 5 под под влиянием Рх (рис. 1.9.15, а) и силы Ру (рис. 1.9.15, и).