Основы ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Влияние тепловых перемещений на точность изготовления детали

Тепловые перемещения являются функцией выделяемого тепла и ц'шюстойкости технологической системы, т. е. ее способности сопротив - кни. ся возникновению тепловых перемещений.

Многочисленные исследования те­пловых перемещений показывают, что степень нагрева и тепловые перемеще­ния во времени изменяются по экспо­ненциальному закону (рис. 1.6.17).

В силу различных условий эксплуа­тации технологическая система попере­менно нагревается и охлаждается. К фак­торам, влияющим на тепловые переме­щения, относится количество выделяе­мого тепла в единицу времени, продол­жительность выделения тепла, перенос тепла от более нагретого к менее нагретому участку технологической системы.

Теплостойкость технологической системы определяется ее конст­рукцией, схемами базирования деталей, коэффициентами линейного расширения материала деталей, наличием зазоров в соединениях деталей, расположением источников тепла.

В результате нагрева технологической системы ее детали претерпе­вают тепловые деформации, что порождает их перемещения и повороты, сходные по своему характеру с упругими перемещениями. Однако тепло­вые перемещения отличаются от упругих перемещений высокой инерци­онностью. Если упругие перемещения после снятия нагрузки практиче­ски мгновенно прекращаются, то тепловые перемещения исчезают по­степенно по мере охлаждения. Это оказывает существенное влияние на формирование точности детали.

Как правило, тепловое состояние технологической системы является нестационарным; в результате попеременно действующие источники те­пла, неравномерности выделяемого тепла, перерывы в работе технологи­ческой системы и др., существенно усложняет картину тепловых пере­мещений.

Рассмотрим характер нагрева и тепловых перемещений элементов технологической системы и их влияние на точность детали.

Тепловые деформации станка. Нагрев станины, корпусных и других деталей станков происходит в результате потерь на трение в механизмах, гидроприводах и электроустройствах. Большое количество тепла переда­ется этим деталям смазочно-охлаждающей жидкостью, отводящей тепло от зоны обработки, а также от встроенных электродвигателей. Тепло пе­редается также из внешней среды, окружающей станок.

Нагрев станины перечисленными источниками тепла происходит в большинстве случаев неравномерно: одни части станины нагреваются сильнее других. Это обусловлено расположением в разных местах станка электродвигателей, электронасосов, резервуаров для масла и охлаждаю­щей жидкости и других источников тепловыделения. Разность темпера­тур отдельных элементов станины может достигать 10 °С и более. В этих условиях станина теряет правильную форму, в результате нарушается взаимное расположение на ней основных элементов станка. При разра­ботке новых конструкций станков необходимо обращать внимание на способности их к выравниванию температурного поля станины и лучшее охлаждение.

Одним из источников образования тепла в станке является шпин­дельная бабка. Температура в различных точках корпуса бабки изменяет­ся в пределах 10...50 °С. Наиболее высокая температура наблюдается в местах расположения подшипников шпинделя и подшипников быстро­ходных валов. Температура валов и шпинделей на 30...40 % выше сред­ней температуры корпусных деталей, в которых они смонтированы. При большой длине шпинделя необходимо считаться с его осевым удлинени­ем от нагрева, что влияет на точность обработки.

Относительно сильный нагрев шпиндельных бабок влечет за собой изменение положения оси шпинделя. Например, шпиндель передней баб­ки токарного станка может сместиться по вертикальной и в горизонталь­ной плоскостях на несколько сотых долей миллиметра.

Большое влияние на точность обработки оказывают тепловые де­формации винтов подачи. Длина винта оказывает большое влияние на •точность перемещений бабки шлифовальных станков. В неудачных кон­струкциях, где длина рабочего участка винта велика, погрешность может достигать 0,03...0,05 мм.

Тепловые деформации заготовок. Кроме тепловых деформаций станка, на точность механической обработки влияют также тепловые де­формации обрабатываемых заготовок, нагрев которых происходит в ре - іультате выделения тепла в процессе резания. Многочисленные исследо­вания показали, что основное количество тепла аккумулируется в струж­ке, а в обрабатываемую заготовку переходит незначительное количество тепла. Это положение справедливо для таких методов обработки, как то­чение, фрезерование, строгание, наружное протягивание. Для таких ме­тодов обработки как сверление, распределение тепла другое - его боль­шая часть остается в заготовке.

При токарной обработке в стружку уходит 50...86 % тепла (а при высоких скоростях резания - свыше 90 %); 10...40 % тепла переходит в резец; 3...9 % остается в заготовке и около 1 % рассеивается в окружаю­щую среду.

Применение обильного охлаждения позволяет практически устра­нить нагрев заготовки. В этом случае ее тепловые деформации весьма незначительны и их влияние на точность обработки можно не учитывать. Обработка серого чугуна, бронзы и некоторых других материалов произ­водится без охлаждения, поэтому тепловые деформации получаются зна­чительными.

Влияние тепловых деформаций заготовки на точность детали проис­ходит следующим образом. Нагреваясь в процессе обработки, заготовка

Вследствие расширения стремится удли­ниться, однако свободному расширению заготовки препятствует ее закрепление. В итоге возникает искажение геометриче­ской формы заготовки, что переносится на погрешность детали. На рис. 1.6.18 пока­зана структура теплового поля при обра­ботке заготовки.

Погрешность формы детали возника­ет вследствие тепловых деформаций заго­товки в процессе ее обработки в результа­те теплового поля "цилиндрического" ис­точника тепла (резца), движущегося вдоль оси цилиндрической обтачиваемой детали. Замена "точечного" источника тепла, пе­ремещающегося по винтовой линии, ци­линдрическим, как показывают исследо­вания, достаточно точно отражает проис­ходящее явление.

Из рис. 1.6.19 видно, что впереди ис­точника тепла в поверхностных слоях де­тали движется довольно значительная опережающая волна тепла. Когда источ­ник тепла приближается к концу детали.

Температура последнего значительно увеличивается (примерно в 2 раза по отношению к средним сечениям). Это явление вызвано тем, что на границе двух сред, из которых воздух обладает более низкой теплопро­водностью. опережающая волна тепла теряет скорость и, следовательно, не может выйти в воздух с той же скоростью, с какой она перемещалась по обрабатываемой детали. В результате в этом месте заготовка расши­рилась больше и был снят больший припуск, что и вызвало искажение формы обработанной детали после обработки.

Удлинение вследствие нагрева обрабатываемой детали, установлен­ной между неподвижными центрами станка, вызывает дополнительный прогиб и также приводит к образованию погрешностей формы.

Наибольшие тепловые деформации происходят при односторонней обработке длинных деталей типа станин станков, направляющих планок, реек.

Расчеты показывают, что тепловые деформации деталей соизмери­мы в ряде случаев с допусками на их обработку. Например, тепловая де­формация чугунной станины высотой 600 мм при длине 2000 мм доходит до 0,01 мм/м при разности температуры по высоте станины в 2,4 °С. Эта величина соразмерна с допуском на отклонение от прямолинейности ста­нин точных станков.

Практика показывает, что тепловые деформации массивных загото­вок малы и их влиянием на точность обработки можно пренебречь, осо­бенно при незначительных размерах обрабатываемых поверхностей. Те­пловые деформации тонкостенных заготовок с относительно большими обрабатываемыми поверхностями могут достичь величин, сопоставимых с допусками по 7-му квалитету. Влияние тепловых деформаций на точ­ность растет при обработке внутренних поверхностей, когда поглощение тепла заготовкой увеличивается.

Тепловые деформации инструмента. Несмотря на то, что при обра­ботке резанием в инструмент переходит сравнительно небольшая доля образующегося тепла, он во многих случаях все же подвержен интенсив­ному нагреву. Например, на рабочей поверхности резцов из быстроре­жущей стали наблюдается температура 700...850 °С. С отдалением от юны резания температура тела резца заметно снижается.

В начале резания наблюдается быстрое повышение температуры резца. Затем ее рост замедляется, и через непродолжительное время дос­
тигается состояние теплового равновесия На рис. 1.6.20 дана характерная зависи мость теплового удлинения консольной части резца от времени резания (4Р - удли­нение резца при его тепловом равновесии) При обычных условиях работы удлинение резца может достигать 30...50 мкм.

Нагрев, а следовательно, и удлинение резца растут с увеличением подачи, глуби ны и скорости резания; удлинение резца возрастает также с повы­шением предела прочности (твердости по Бринеллю) обрабатываемого материала (рис. 1.6.21).

Приведем графики тепловых перемещений технологической систе­мы. На рис. 1.6.22 показаны кривые 1-5, характеризующие изменения температуры, и кривые 6-8, характеризующие тепловые перемещения

Отдельных элементов, а также изменения радиуса обрабатываемых дета­лей. Из графиков 1-8 видно, что в ряде случаев тепловые перемещения возрастают быстрее температуры. Объясняется это тем, что повороты деталей станка, происходящие из-за неравномерного нагрева деталей, увеличивают перемещения связанных с ними других деталей пропорцио­нально расстояниям точек, в которых измеряется перемещение относи­тельно оси поворотов.

Рис. 1.6.23. Эскиз круглошлифовального станка

Причиной неравномерного нагрева стенок 1, 2 (рис. 1.6.23) станины являют­ся источники тепла в виде электронасо­сов подачи масла и охлаждающей жид­кости, а также баки 3, 4, расположенные в правой части станины, и др.