Достижение показателей точности отдельной поверхности

Точность обработки поверхности детали определяется возможностями примененного метода воздействия на материал.

Как правило, деталь изготавливают в два этапа. Сначала получают заготовку, которая в какой-то степени по форме и размерам приближается к готовой детали. Степень этого приближения может быть разной и определяется особенностями используемого технологического процесса заготовительного производства (ковка, штамповка, литье и т.д.). Выбор того или иного метода получения заготовки и соответствующего технологического процесса определяется целым рядом условий технического и экономического характера. Не вдаваясь в подробности и особенности этого выбора, обратим внимание лишь на то, что при сравнении заданных на чертеже детали показателей точности поверхностей с достигнутыми на заготовке может оказаться, что для некоторых из них уже выполняется условие (3.5) которое может быть записано в следующем виде:

ТА_заг = ωА_заг ≤ ТА_дет (6.1)

Это означает, что такие поверхности не требуют дальнейшей обработки, могут остаться на детали необработанными (их называют иногда "черными"). Таким образом, можно считать, что первой технологической возможностью достижения заданных показателей точности поверхности является выбор соответствующего метода получения заготовки.

Чем точнее метод получения заготовки, тем для большего количества поверхностей детали может быть достигнуто выполнение условия (6.1). Конечно же, желательно получать в заготовке как можно больше (если не все) поверхностей с требуемой точностью и тем самым уменьшить объем и стоимость последующей обработки детали. Однако, известно, что достижение более высокой точности заготовки приводит к значительному ее удорожанию. Так, 1 т холоднотянутого калиброванного проката стоит на 15÷30% больше, чем горячекатаный того же профиля. Удорожание более точных заготовок может превысить экономию от уменьшения объема и стоимости ее последующей обработки по сравнению с менее точными заготовками. Выбор метода получения заготовки – всегда задача технико-экономическая, имеющая оптимальное решение по критерию оптимизации "общая стоимость изготовления детали".

Поэтому чаще всего при сравнении точности соответствующих размеров детали и достигнутых в заготовке оказывается, что условие (6.1) не выполняется и тогда используют второй этап изготовления детали – обработку заготовки.

Обработка заготовки заключается в съеме с ее поверхности некоторого слоя материала, называемого припуском. Обработка производится в технологических системах (ТС). Под технологической понимают динамически замкнутую систему, состоящую из станка, приспособления для установки заготовки, приспособления для установки рабочего инструмента, обрабатываемой заготовки и рабочего инструмента. Например, на рис. 6.9 приведена схема фрезерной технологической системы, в которой ведется обработка на заготовке прямоугольного паза.

Рис. 6.9. Технологическая система для фрезерования:

1 – горизонтально-фрезерный станок, 2 – приспособление для установки заготовки,

3 – заготовка, 4 – приспособление для установки инструмента (оправка),

5 – инструмент (фреза)

Каждая простая технологическая система реализует некоторый метод обработки. Есть сложные технологические системы, в которых последовательно для одной заготовки или параллельно для нескольких реализуются разные методы обработки. Разнообразие подлежащих обработке конструкционных материалов, требований к точности обрабатываемых поверхностей привело к тому, что в арсенале технологии машиностроения oгромное количество методов обработки заготовок и их число постоянно пополняется новыми. Не менее разнообразен и многочислен парк оборудования, на котором эти методы реализуются.

При выборе методов обработки во время проектирования технологического процесса приходится находить ответы на следующие вопросы:

· Какой метод обработки использовать для воздействия на тот или иной материал обрабатываемой заготовки?

· Какой метод обработки и, следовательно, какую технологическую систему применить для достижения показателей требуемой точности той или иной поверхности?

· Когда однократной обработки недостаточно и требуется последовательно применить несколько разных методов обработки?

· Как определить необходимую и достаточную последовательность методов обработки, называемую планом обработки поверхности?

Под методом обработки (МО) понимают разновидность воздействия на материал детали, отличающуюся под­водимой в зону обработки энергией, схемой формообразования поверхности (спосо­бами создания производящих линий и их взаимных движений), конструкцией (типом) рабочего инст­румента и численными значениями параметров режима.

Методы обработки подробно изу­чаются в специальном разделе технологии машиностроения, однако здесь приведем самые общие сведения о них, необходимые для уяснения содержания и смысла действий технолога при их выборе для использования в проектируемом технологическом процессе из­готовления детали. Подробные сведения об арсенале методов обработки материалов, их особенностях, возможностях и рациональных областях применения изложены [27].

Согласно приведенному определению все методы обработки могут быть классифицированы по четырем признакам.

Первый признак – вид энергии, используемой в процессе воздействия на материал. По этому признаку методы обработки делят на:

· методы механической обработки – используют механическую энергию для изменения формы и размеров поверхностей, а также состояния и свойств материала путем его пластического деформирования или же удаления (резанием, разрушением) части материала;

· методы термической обработки используют тепловую энергию дня изменения структуры, фазового состава, физико-механических и других свойств материала заготовки во всем его объеме пли в отдельных частях;

· электрофизические методы обработки – используют электрическую энергию или энергию электромагнитных полей для разрушения и удаления микрообъемов материала или создания в материале специальных свойств;

· методы химической обработки – используют энергию химических реакции для удаления (растворения) части материала заготовки или наращивания (осаждения) на заготовке пленочных покрытий другим материалом (например, меднение);

· методы лучевой обработки - используют высокие энергии электронных, оптических, плазменных и других лучей для удаления микрообъемов материала заготовки или создания особых свойств в тонких слоях или объемах материала;

· комбинированные методы обработки – используют одновременно несколько видов энергии, одна из которых является основной, а другая (другие) интенсифицируют процесс воздействия на материал. Это самая обширная и динамично пополняемая группа методов обработки. Например, в термомеханических методах обработки тепловая энергия подводится к заготовке для повышения пластичности материала во всем ее объеме или только в деформируемой части, либо для снижения показателей прочности материала в зоне резания. В электромеханических методах обработки механическая энергия используется для интенсификации удаления разрушенных электрической энергией частиц материала заготовки. В электрохимических методах обработки электрическая энергия резко интенсифицирует химические процессы съема или осаждения материала.

Второй признак – схема формообразования. По этому признаку методы обработки различаются способами создания в пространстве производящих линий. Так, плоскость есть след движения производящей прямой по второй прямой – направляющей. Возможна инверсия функций этих двух прямых, результат от этого не изменится. В свою очередь производящие линии можно создавать разными способами - либо иметь их на рабочем инструменте и копировать на обрабатываемой поверхности, либо создавать их в пространстве кинематически.

Таким образом, различия в схемах формообразования воз­никают за счет различных способов создания в пространстве произ­водящих линий поверхности и с этой точки зрения методы обработки можно разделить на следующие группы:

· с кинематическим созданием в пространстве обеих производящих линий (см. пример формообразования цилиндрической поверхности на рис. 3.2,б);

· с копированием одной производящей линии с инструмента и кинематическим образованием второй (см. пример на рис. 3.2,г)

· с копированием обеих производящих линий (всей поверхности) с инструмента, например, перенос на заготовку поверхностей модельной оснастки при заливке литейной формы, либо поверхностей матрицы и пуансона при штамповке, либо рабочих поверхностей пресс-формы при прессовании деталей из пластмасс, порошков или композитов.

Третий классификационный признак – тип (конструкция) рабочего инструмента. По этому признаку различают следующие методы обработки: точение, фрезерование сверление, развертывание, протягивание, шлифование, и т. д.

Четвертый признак – параметры режима обработки. По этому признаку методы обработки разделяют на черновые, чистовые и отделочные. Например, по схеме на рис. 3.2,б продольное точение может быть черновым, чистовым или отделочным в зависимости от сочетания величин скорости резания V, глубины резания t, подачи S.

Независимо от принадлежности к той или иной группе приведенной выше классификации каждый метод обработки используется для улучшения показателей точности поверхности после ее обработки, т.е. для уменьшения его поля рассеяния. С точки зрения вопросов, поставленных в настоящей главе, нас интересует именно такая характеристика метода обработки, и эта характеристика называется технологическими возможностями метода обработки. Под технологическими возможностями метода обработки понимают, во-первых, достижимые при его использовании показатели точности обработанной поверхности и, во-вторых, характеристику заготовки, для обработки которой может быть рационально применен этот метод.

С точки зрения задачи достижения показателя точности детали работа технологической системы может быть описана схемой на рис. 6.10. В результате обработки заготовки в ТС ее размер А_заг превращается в размер А_дет. Но в партии заготовок их размер рассеян по полю ωА_заг. Кроме того, и другие входы в технологической системе (энергия, информация) изменяются во времени, не сохраняются постоянными состояния самой технологической системы и окружающей ее среды (см. рис. 2.1).

Рис. 6.10. Схема формирования показателя точности детали

при обработке в технологической системе

Поэтому и результат обработки – размер детали – окажется рассеянным по некоторому полю ωА_дет, однако это поле существенно меньше, чем поле рассеяния соответствующего размера заготовки, т.е. ωА_дет << ωА_заг. Именно это уменьшение поля рассеяния размера (показателя точности) и составляет смысл и цель любой обработки и может быть описано следующим уравнением:

(6.2)

где ε_у – уточнение, оно показывает, во сколько раз может быть уменьшено поле рассеяния размера заготовки после ее обработки. Уточнение ε_у является важнейшей характеристикой любой технологической системы и метода обработки, который в ней реализуется. В силу целого ряда причин, которые будут рассмотрены в последующих главах настоящего пособия, величина уточнения не может быть бесконечной, более того, редко бывает более 5. Большинство технологических систем имеют ε_у = 2 ÷ 3.

Различают проектное и фактическое уточнения. Проектное уточнение характеризует задачу будущего технологического процесса получения заданной поверхности из принятой заготовки. Количественно проектное уточнение оценивается отношением допусков соответствующих размеров поверхности в заготовке и на детали:

(6.3)

Фактическое уточнение является характеристикой конкретной технологической системы и реализуемого в ней метода обработки и определяется отношением полей рассеяния соответствующих размеров заготовки и детали:

(6.4)

Вооружившись понятиями "метод обработки", "технологические возможности метода обработки ", "уточнение технологической системы", вернемся к действиям технолога по достижению заданных показателей точности поверхности в проектируемом технологическом процессе обработки детали. Речь идет о тех поверхностях, для которых условие (6.1) не выполняется, т.е. ТА_заг > ТА_дет,, и заданная точность может быть достигнута лишь обработкой заготовки и уменьшением в результате ее выполнения погрешности заготовки до величины, не превышающей заданный допуск размера детали ωА _дет < ТА_дет. В этом случае технолог, используя информацию о технологических возможностях методов обработки, выбирает такой метод, которым может быть достигнут заданный показатель точности и обеспечено условие (6.1), т.е.

(6.5)

где ω_МО – погрешность (поле рассеяния) показателя точности, получаемая при использовании выбранного метода обработки.

Нужно отметить, что в арсенале технологии маши­ностроения всегда найдется несколько методов обработки, отвечающих условию (6.5), и технолог должен сделать выбор между ними, используя дополнительные технические и (или) экономические критерии. Например, отверстие по 8-му квалитету точности может быть получено после отделочного растачивания, развертывания, протягивания, шлифования. Протягивание не может быть применено, если отверстие глухое или ступенчатое (критерий технический – конструкция детали). Отделочное растачивание может не обеспечивать требуемую производительность операции (критерий технико-экономический - производительность процесса). Развертывание может оказаться неэкономичным в единичном или мелко-серийном производствах (критерий экономический – стоимость, обработки). Шлифование не может быть применено для некоторых материалов, например, для мягких и вязких алюминиевых сплавов (критерий технический – материал детали). В любом случае из всех возможных методов обработки технолог выбирает один и затем выбирает соответствующую технологическую систему, в которой этот метод обработки может быть реализован. Выбранная технологическая система обладает определенным значением уточнения фактического уточнения ε_ТС, что позволяет рассчитать максимальную погрешность заготовки ωА_заг, которую можно подать на вход этой технологической системы (см. рис. 6.10):

(6.6)

если окажется, что

, (6.7)

т.е. допуск на соответствующий размер заготовки ТА_заг, изготовленной выбранным методом, меньше или равен максимально возможной погрешности ωА_заг, рассчитанной по формуле (6.6), то это означает, что выбранную заготовку можно сразу подать на вход технологической системы и для достижения заданной точности размера детали достаточно провести однократную обработку поверхности выбранным методом обработки. В этом случае окажется, что выполняется условие

(6.8)

или с учетом (6.1), (6.5), (6.6) и (6.8):

(6.9)

Таким образом, для некоторых поверхностей реализуется вторая технологическая возможность достижения заданного показателя точности поверхности – однократная обработка в одной технологической системе.

Наконец, среди всех поверхностей детали могут быть и такие, для которых условие (6.7) не выполняется, т.е. допуск показателя точности этих поверхностей в выбранной заготовке больше, чем рассчитанная по формуле (6.8) максимально возможная на входе в технологическую систему погрешность заготовки. Для таких поверхностей условие (6.8) не выполняется, т.е. ε_пр > ε_ТС. В этом случае однократной обработки заготовки недостаточно и у технолога остается третья технологическая возможность – последовательная обработка поверхности в нескольких технологических системах.

Рис. 6.11. Схема последовательной обработки детали в нескольких технологических системах для достижения требуемого показателя

точности поверхности детали

Схема такой обработки приведена на рис. 6.11. Для ее организации технолог должен определить количество последовательно работающих технологических систем и методы обработки, которые должны быть реализованы в каждой из них. Эта работа выполняется в соответствии с алгоритмом, приведенным на рис. 6.12.

Сначала так же, как и при однократной обработке, выбираются метод обработки и технологическая система, которые обеспечат достижение заданного показателя точности поверхности, т.е. которые удовлетворят условию (6.5). Выбранная таким образом технологическая система будет работать последней, и на выходе из нее на обработанной поверхности будет достигнуто требуемое значение показателя ее точности. Затем по формуле (6.6) определяется максимальная

погрешность заготовки для этой обработки и по этой величине определяется и назначается допуск на размер (или другой показатель точности) поверхности, который необходимо обеспечить после обработки на предшествующей обработке во второй технологической система из условия

(6.10)

Затем по назначенному допуску из арсенала методов обработки выбирают такой, которым может быть обеспечена эта точность, а из банка технологических систем выбирают такую, в которой этот метод может быть реализован, т.е. чтобы выполнялось условие (6.5):

При выборе этого метода обработки и технологической системы для его реализации руководствуются такими же соображениями, техническими и экономическими критериями, как и при выборе метода обработки для однократной обработки.

Потом по формуле (6.6) рассчитывают максимальную погрешность заготовки, которую можно иметь на входе во вторую технологическую систему:

Рассчитанную погрешность сравнивают с допуском на размер поверхности в выбранной заготовке. Если выполняется условие (6.7), т. е.

(6.11)

то это означает, что двукратной обработки в TC1 и TC2 достаточно для уменьшения погрешности выбранной заготовки ωА_заг = ТА_заг до заданной (допустимой) погрешности детали ТА_дет.

Если же условие (6.11) не выполняется, то по уже описанному алгоритму выбирают третью TC3, в которой нужно будет обработать заготовку, прежде чем подать ее на вход в ТС2, т.е. задают допуск по условию (6.10), по этому допуску выбирают метод обработки и технологическую систему для его достижения из условия (6.5):

(6.12)

затем по формуле (6.5) рассчитывают максимально возможную погрешность заготовки на входе в ТС3и сравнивают ее с допуском на размер в выбранной заготовке. Если выполняется yсловие

(6.13)

то рассматриваемый показатель точности может быть достигнут последовательной обработкой в трех технологических системах, т.е. N=3 (см. рис. 6.11).

Если же условие (6.13) не выполняется, то выбирается еще одна технологическая система и так до тех пор, пока в очередной раз нужное условие типа (6.13) не будет достигнуто.

Таким образом технолог обосновывает необходимую последовательность обработки поверхности, называемую планом обработки, обосновывает выбор методов обработки и технологических систем для их реализации, рассчитывает и назначает точность промежуточных размеров (допуски , , … ). Необходимо заметить, что реализация выбранных методов обработки будет идти в обратной последовательности, т.е. обработка начнется в ТСN и закончится в ТС1.

Нетрудно показать, что общее фактическое уточнение последовательно работающих технологических систем равно произведению их уточнений. Например, если работают две технологические системы с уточнениями

и

то их общее уточнение ε_ТП

и тогда для многократной обработки поверхности условие (6.8) принимает вид

(6.14)

Описанную работу по выбору и обоснованию состава и последовательности выполнения необходимых методов обработки проделывают, во-первых, для каждой поверхности детали и, во-вторых, по каждому показателю точности поверхности. При этом может оказаться, что для достижения требуемых значений разных показателей точности одной и той же поверхности потребуется разное количество и состав необходимых методов обработки. Нередко встречаются детали, у которых требования к точности размера некоторых поверхностей невысоки и могут быть обеспечены одно- или двукратной обработкой, но очень высоки требования к шероховатости и чтобы их выполнить, необходимо дополнительно применить один или несколько методов отделочной обработки.

В результате проделанной работы для каждой поверхности, образующей конструктивную форму детали, окажется разработанным план обработки. Этот план представляет собой список технологических переходов, которые необходимо включить в технологический процесс изготовления детали для достижения всех требуемых показателей точности отдельной поверхности.

Следующей задачей проектирования технологического процесса изготовления детали является определение последовательности и условий обработки разных поверхностей. Эти условия должны обеспечить, во-первых, необходимое взаимное расположение всех поверхностей детали и, во-вторых, минимально возможные затраты на достижение требуемой точности детали.

Рис. 6.12. Алгоритм разработки плана обработки поверхности