Расчет точности выполнения технологических операций

Точность изготовления деталей определяется точностью выполнения размеров, точностью форм и расположения поверхностей. Разность между действительными (измеренными) и теоретическими (указанными в чертеже) значениями отмеченных величин называют погрешностями. Общая погрешность обработки Δ в каждом конкретном случае формируется из суммы начальных (первичных) погрешностей, среди которых чаще доминируют 6 основных. Ниже приводятся их краткие характеристики:

•Δу ― погрешность, возникающая из-за упругих отжатий технологической системы под действием сил резания.Δу ― это рассеивание выполняемого размера, равное разности предельных значений отмеченных отжатий. Величину Δу ― определяют в тех сечениях заготовки, где она получается наибольшей (обычно в местах, где жесткость технологической системы минимальна). Действительные значения Δу случайны. На практике изменение их величин связано с режимом обработки, колебаниями припуска и твердости поверхностей заготовок в партии и другими причинами. В [8, 9, 26] и прочей литературе приводятся расчетные зависимости, по которым определяют предельные значения Δудля различных схем обработки. Пользуясь этими зависимостями, а также справочным материалом о жесткости технологической системы (например, из [10]), удается заранее рассчитать величину Δудля конкретных условий выполнения технологической операции;

•Δн ― погрешность настройки, представляющая собой разность возможных предельных положений режущего инструмента на станке при его настройке на выполняемый размер. Предельная величина Δн зависит от метода настройки. Для каждой последующей настройки (или поднастройки) станка действенное значение Δн случайно и отличается от предыдущего. В справочнике [10] приводятся методика, расчетные зависимости и таблицы со значениями параметров, необходимые для расчетов величины Δн на практике. При обработке всей партии заготовок с одной настройки станка погрешность Δн из расчетов можно исключить [9];

• ― погрешность установки, случайная величина, складывающаяся из погрешностей базирования , закрепления и положения заготовки в приспособлении или на станке . Погрешность базирования для различных схем определяют по формулам [10, 2.3 и др.].При совпадении технологических (установочных) баз с измерительными она отсутствует. Погрешность определяется величиной смещения проекции измерительной базы на направление выполняемого размера в процессе закрепления заготовки. При постоянных силе зажима и условиях контакта баз заготовок с опорами величину можно из расчета исключить. Обычно принимают ≤ 0,01―0,015. Как и другие составляющие значение считают случайной величиной и суммируют с и по правилу сложения векторов;

•Δи ― погрешность, связанная о износом режущего инструмента. Погрешность обусловлена систематическим изменением положения режущей кромки относительно технологической базы заготовки. Нормальный износ протекает пропорционально времени обработки или пути резания. Его интенсивность зависит от свойств обрабатываемого материала и материала инструментов, метода обработки, режима и условий резания, конструкции инструмента и других факторов; характеризуется величиной относительного износа U₀, мкм/км. Для наиболее распространенных случаев зависимости для расчета Δии значения U_oприводятся в [8, 9, 10, 30]. Величину Δи сокращают посредством своевременной ручной или автоматической поднастройки станка, использованием более износостойких режущих материалов, конструированием широких режущих кромок, позволяющих увеличить подачу (например, при строгании) и тем самым сократить путь резания, выбором рациональных режимов резания и СОЖ и др.;

•Δт ― погрешность, обусловленная температурными деформациями оборудования, инструмента и обрабатываемых заготовок. С началом работы технологическая система разогревается, при этом удлиняются режущие кромки инструментов, увеличиваются в размерах заготовки, изменяют первоначальное положение оси шпинделей и т.д. Вследствие первоначального нагрева отдельных частей происходит раскоординация системы, нарушающая настройку станка и приводящая к изменению технологических размеров. После разогрева и наступления в системе теплового равновесия указанные процессы прекращаются. Повторной поднастройкой системы в разогретом состоянии удается величину Δт свести к минимуму. Этим же целям способствует организация обработки с ритмичными перерывами машинного времени, обильное охлаждение зоны резания и др.[8, 9, 10, 30];

•Δф ― погрешность формы и.размеров обрабатываемых поверхностей, возникающая вследствие погрешностей изготовления и сборки станков, износа и деформации их составных частей (например, станин при длительной эксплуатации и оседании фундаментов и пр.). Допустимые погрешности изготовления различных типов станков (осевое и радиальное биение шпинделей, неперпендикулярность или не параллельность их осей станинам, столам или поверхностям других узлов и т.п.) лимитированы и приводятся в [8, 10, 25, 30], а также в соответствующих стандартах на приемку станков. Этими сведениями следует воспользоваться, предварительно проанализировав влияние допустимых погрешностей на точность обработки в проектируемой операции. В отличие от других, погрешность Δф при выполнении конкретной технологической операции имеет определенную величину, постоянную для всех деталей партии. Кроме перечисленных в процессе механической обработки заготовок могут возникнуть погрешности, связанные с перераспределением внутренних напряжений в заготовке или недостаточной жесткостью заготовок, возникающие из-за кинематической неточности станка, присущие принятой схеме (или методу) обработки поверхности и пр.

На практике весьма важно уметь определить величину и правильно оценить степень влияния каждой начальной погрешности (с учетом возможностей их взаимной компенсации) на точность изготавливаемой детали.

Методика расчета суммарной погрешности обработки Δ изложена в [8, 9, 10, 15, 30] и другой литературе, где одновременно приводятся таблицы или формулы для определения численных значений всех начальных погрешностей. Точность обработки считается достаточной, если технологический допуск на выполняемый размер Т_d ≥Δ и погрешности формы и расположения поверхностей укладываются в допустимые пределы.

Зная условия обработки (оборудование, инструмент, режим резания, схему закрепления, действующие силы и прочее), студенту следует первоначально тщательно проанализировать и обосновать, какие из начальных погрешностей влияют на точность выполнения операции, а затем определить суммарную погрешность размеров на выполняемых операциях и сравнить результат с допуском.

В случае, если Δ > Т_d. необходимо, варьируя факторами, определяющими условия обработки, добиться необходимой точности.

Следует помнить, что проектировать технологический процесс операции, не обеспечивающий заданной точности и других технических требований, бессмысленно.

Подраздел может быть изложен на 2―3 с., при этом должны делаться ссылки на ранее составленные эскизы и схемы обработки, а также на первоисточники.

Пример 11. Проверить, обеспечивается ли точность размера 27,42_-0,12при подрезке торца 2 (см. рис.4 и 6) на операции 05. Условия обработки соответствуют рассмотренным в примерах 6 и 8.

Условие обработки без брака ― Δ ≤ Т_d (Т_d = 0,12 ― допуск на выполняемый размер).

Суммарная погрешность обработки, мкм

 

,
где Δу ― погрешность, связанная с деформациями системы СПИД, мкм. Для принятой схемы обработки Δу возникает из-за взаимных отжатий резцов с суппортом и заготовки. По [10, с.30, табл.11] жесткость в этом направлении для станков типа 1K282 J = 900/50 = 196 Н/мкм. При суммарной составляющей сил резания Р_y= 1262,4 Н (см. с. 40).

 

Δу = Р _y/ J = 1262,4/196 = 6,4 мкм;

 

Δн ― погрешность настройки станка на размер, мкм. Для обработки плоских поверхностей [10, c.70].

 

Коэффициенты К р = 1,2 и K и = 1 учитывают отклонения закона распределения элементарных величин Δр и Δи от нормального; Δр ― погрешность регулирования. При настройке станка по эталону с контролем металлическим щупом, по [10, с. 71, табл.26] Δp = 10 мкм; Δи ― погрешность измерения, по [10, с. 72, табл,27] для размеров до 50 мм и при возможной точности станка в пределах jТ 10 ― Δи = 20 мкм.

В таком случае

 

мкм;

 

― погрешность установки. Для принятой схемы обработки технологические базы заготовки совпадают с измерительными, а силы зажима направлены перпендикулярно выдерживаемому размеру. По этой причине отсутствует;

Δи ― погрешность обработки, вызываемая размерным износом инструментаΔи = 2U_оL/1000, мкм [10, с.73]. В этом выражении L ― длина резания, м; Uo ― относительный износ резцов, мкм/км. При точении партии деталей n = 200 шт, со скоростью V = 130 м/мин и времени обработки каждой заготовки t₀ = 0,37 мин (см. табл.7).

 

L = n·V·t₀ = 200·130·0.37 = 9620 м,

а величина U₀ = 3 мкм/км [10, с. 74, табл.28].

Тогда

 

Δ и = 2·3·9620/1000 = 58 мкм;

 

Δт ― погрешность, связанная с температурными деформациями системы СПИД, мкм. Величина Δт зависит от режима работы станка и длительности процесса резания. За время операционного цикла при отношении t ₀/ t _ш= 0,37/0,88 = 0,42 резец и заготовка не успевают разогреваться на столько, чтобы существенно изменить свои размеры. Поэтому примем Δт = 0;

Δф ― погрешность, связанная с геометрическими неточностями станков, мкм. Значение Δф рассчитывают по формулам, определяют по таблицам или принимают Δф ≤0,7 от соответствующих величин по ГОСТам на нормы точности [10, c. 53]. Для вертикальных многошпиндельных токарных полуавтоматов согласно ГОСТ 6820―75 погрешности подрезки торцов у партии заготовок не нормируются [10, c. 56, табл. 23].

Таким образом, суммарная погрешность

 

мкм.

Поскольку технологический допуск на размер 27,42 – T_d= 120 мкм, то условие обработки без брака выполняется.

Другие, более характерные примеры расчетов точности обработки приводятся в [7, c.146-149; 9, c.106 и др.]

Для определения общей погрешности обработки допустимо пользоваться иными методиками, например, из работ [8, 28] и пр.

КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТИ

 

Качество поверхности определяется величиной шероховатости и волнистости, ее твердостью, структурой, химико-физическим и физико-механическим состоянием поверхностного слоя и др. Оно является важнейшим показателем, определяющим надежность работы и долговечность изделий.

К настоящему времени машиностроители накопили определенный объем сведений для того, чтобы в результате лезвийной или абразивной обработки получать поверхности с заданным качеством.

На качество поверхности оказывают непосредственное влияние режим обработки, используемый инструмент (особенно геометрия его режущей части) и оборудование, наличие вибраций, применяемые СОЖ и другие факторы.

Увеличение сил резания и продолжительности силового воздействия приводят к образованию на поверхности наклепа (упрочненного слоя) и формированию остаточных напряжений сжатия. Этому способствует увеличение глубины резания (t), подачи (S), радиуса закругления режущей кромки (r), переход от положительных к отрицательным передним углам (γ), т.е. внедрение силового резания. Увеличение скорости резания (V) приводит к повышению температур в локальных зонах обработки, разупрочнению (возврату к исходному состоянию металла) с тенденцией образования на поверхности остаточных напряжений растяжения. Благоприятная геометрия обработки (уменьшение главного φ и вспомогательного угла в плане φ₁, подачи S и увеличение r) способствует сокращению величины шероховатости поверхности. Интенсивное наростообразование, наблюдающееся в зоне скоростей резания V = 20―40 м/мин, c увеличением V > 60 м/мин практически прекращается и поверхность получается чистой. Шлифование с выхаживанием, особенно твердых (закаленных на мартенсит) поверхностей, также приводит к существенному снижению шероховатости.

В ходе практикума следует подтвердить, что в результате обработки (принятым методом и в установленном режиме) одна из обрабатываемых поверхностей (желательно после окончательной обработки) будет обладать качеством, соответствующим требованиям чертежа или операционного (технологического) эскиза. Для этого следует воспользоваться материалами, изложенными в [8, с. 193-237; 9, с. 118-140], или др. Расчетные зависимости, связывающие показатели качества поверхностей с факторами, их определяющими, для многих видов обработки, можно найти в справочниках [10; с. 89-114; 27, c. 212-225]. Этот подраздел объемом до одной страницы следует закончить положительным выводом.

Как и в случае с точностью обработки, при невыполнении требований к качеству поверхностей, следует пересматривать условия обработки, добиваться того, чтобы качество поверхности соответствовало требованиям чертежа.

Пример 12. Согласно технологическому процессу торец 2 (см. рис.4) после предварительной обработки должен иметь шероховатость поверхности Rа = 10 мкм. Проверить, обеспечивает ли принятый в операции 05 режим обработки требуемую шероховатость.

Величину шероховатости при торцевом точении поверхности определяют по формуле [10, с. 104, табл. 5]

 

где γ ― передний угол резца, γ = 5°; K _M ― коэффициент, учитывающий влияние обрабатываемости стали 40Х на шероховатость поверхности K _M= 1,2; r ― радиус закругления режущей кромки резца, r = 0,5 мм и S ― принятая подача, S = 0,42 мм/об. С учетом значений

 

мкм,

Таким образом, в процессе обработки будет обеспечиваться заданная шероховатость торца венца.

Пример13. Согласно технологическому процессу отверстие в ступице Ф46Н11 после чистового зенкерования (перед протягиванием шлиц) должно иметь шероховатость Rа= 5 мкм, указанную на чертеже детали (см. рис. 1). Проверить, обеспечивает ли принятый в операции 05 (переход 10) режим обработки требуемую шероховатость.

Величину шероховатости при зенкеровании отверстия в стали 40Х определяют по формуле [10, с. 103, табл.5]

 

,

где V - скорость зенкерования, V = 34,5 м/мин; S ― подача при чистовом зенкеровании S = 0,85 мм/об; D ― диаметр зенкера (отверстия) D = 46.

С учетом значений

 

мкм.

Так же, как и в примере 12, требуемая шероховатость поверхности отверстия Ф 46 Н 11 принятым способом и режимом обработки обеспечивается.

ТЕХНИЧЕСКОЕ НОРМИРОВАНИЕ

 

Для разрабатываемых операций после окончательного уточнения схем их построения, расчетов режимов резания и точности обработки, а также проверки качества обработки поверхности и возможности рационального использования выбранной модели станка по формулам [12, с. 160-360; 9, с. 256-264] или другим определяют точное значение основного (машинного) времени обработки, t_{0 .}

Затем, пользуясь методикой и нормативами [18, 19, 20, 21 и 22] или [5, c. 197-22l], определяют вспомогательное (t _в) и дополнительное (t_d) время, а также время на организационное (t _{о. об}) и техническое (t _{т. об}) обслуживание рабочего места, с учетом которых рассчитывают штучное время операций, мин.

 

t _ш. = t _о + t _в + t _{т об} + t _{о об} + t _д. (а)

 

В крупносерийном и массовом производстве часто применяют многоместные схемы с независимой (раздельной) установкой заготовок (автоматы, полуавтоматы, агрегатные станки и автоматические линии и т.д.). При этом заготовки на одних позициях обрабатываются, а на других снимаются со станка и заменяются необработанными. При последовательной обработке основное время t₀ в таких случаях определяется лимитирующим переходом, а вспомогательное ─ складывается из времени управления (подвод ─ отвод инструмента и т.п.) и времени индексации (переход к следующей позиции), т.е. t _в = t _уп + t _н

Для условий серийного производства по тем же нормативам устанавливают подготовительно-заключительное время (t _ПЗ) операции и штучно-калькуляционное время

 

t _шк. = t _ш +t _пз ./n,

где n ― количество деталей в партии.

Для остальных (неразрабатываемых) операций технологического процесса основное и штучное время можно определить по приближенным формулам [5, 14, 23, 29] или другим.

Одновременно ориентировочно устанавливают разряд работ и раcсчитывают заработную плату рабочих за выполнение каждой технологической операции. Тарифные ставки для рабочих-станочников различной квалификации, нормативы заработной платы с коэффициентом доплат и начислений приводятся в [11, с. 428 табл. 19, 20 и 21].

Особенности нормирования операций, выполняемых на станках с ЧПУ, излагаются в [10, c. 603-622].Среднее штучное время К операций данного техпроцесcа, мин

 

t _{ш ср} =

 

После определения технический нормы времени в поточном производстве определяют величину (обратную ей) ─ техническую норму выработки. Норма выработки должна обеспечивать заданную программу выпуска.

Для определения эффективности схем многоинструментальной обработки рассчитывают коэффициенты совмещения основного и вспомогательного времени K _со и К _св (см.разд.8).Раздел заканчивают заключением об эффективности спроектированного техпроцесса. Полученные значения t _о, t _ш, t _шк и t _пз вносят в маршрутные карты, карты технологического процесса и таблицы к схемам технологических наладок оборудования. Объем задания, вместе с расчетами t_i ― до 2. с.

Пример 14. Выполнить расчет производительности и определить зарплату рабочего за выполнение операции 05; по укрупненным нормативам установить время выполнения остальных механических операции.

При подрезке торца ступицы 1 и торца венца 2 на поз.III (cм. пример 8 и рис. 5) приняты подача S = 0,42 мм/oб и частота вращения шпинделя n = 185 мин^-1, а длина обрабатываемых поверхностей соответственно равна l ₁ =14 мм и l ₂ = 29 мм.

Основное время обработки (t _oi= l_i/nS) поверхности 1t _o= 0,18 мин перекрывается временем обработки поверхности 2t _o= 0,37 мин. Время обработки остальных поверхностей дано в табл.8.

Таблица 8

Основное время обработки поверхностей детали (см. рис. 4)

№ повер-хности													S t 0
t 0, мин	0,18	0,37	0,16	0,19	0,12	0,15	0,18	0,37	0,16	0,27	0,12	0,15	2,42

 

Вспомогательное неперекрываемое время операции t_В на многошпиндельных полуавтоматах складывается из времени индексации t_Ии времени подвода и отвода инструментов t _У. Оно определяется конструкцией управляющих кулачков [21]. Для рассматриваемого случая t _в= 0,18 мин.

Оперативное время обработки, с учетом лимитирующего основного,

 

t _оп. = t _о +t _с = 0,37+0,18 = 0,55 мин.

 

По табл. 5.17, 5.21 и 5.22 [5] примем время на техническое обслуживание станка t _т.об= 0,27 мин, организационное обслуживание t _о.об= 0.02 мин и время перерывов t _д= 0,04 мин. С учетом значений, штучное время операции t _ш = 0,86 мин.

Подготовительно-заключительное время для наладки токарного станка с 12 инструментами, при установке заготовок в самоцентрирующий патрон t _п.з= 30 мин, табл. 6.3[5].

Штучно-калькуляционное время обработки партии n = 200 шт:

t _шк = 0,88+30/200 = 1,03мин.

 

Зарплата токаря III разряда за обработку одной детали

 

З_с = t _шк ·К = 1,03·2,68 = 2,76коп,

где К ― минутная ставка станочника (со всеми начислениями). К = 2,68 коп/мин - [11, с. 429, табл.21].

Часовая норма выработки на операции 05

 

N = 60/t _ш = 60/0,88 = 68 шт/ч

 

Коэффициент совмещения основного времени при ∑ t _O= 2,42 мин

 

К_{с о} = t_0lim/∑t₀ = 0,37/2,42=0,153.

 

Расчеты показывают, что для обработки партии заготовок n = 200 шт на операции 05 станок мод. 1K282 будет загружен всего половину рабочей смены (3,45 ч, из которых почти час тратится на его наладку, техническое и организационное обслуживание). Стоимость выполнения операции получается низкой, а рациональность схемы операции ― коэффициент совмещения основного времени ― хорошая.

Расчет времени выполнения отдельных из оставшихся операций выполним по приближенным формулам, [14, с. 247―258, прил. 2].

Операция 10 ― протяжная. Длина шлицевой протяжки l = 800 мм:

 

t _шк = 0,0005 l·ψ = 0,0005·800·1,72 = 0,69 мин.

 

где ψ ― коэффициент, учитывающий вспомогательное и дополнительное время, [ 14, с. 259, прил. 3].

Операция 25 ― зубофрезерная. Ширина венца B = 25 мм, число зубьев Z = 86:

 

t _шк = 0,00943 B·Z·ψ = 0,00943·86·25·1,66 = 33,6 мин.

Операция 30 ― закругление зубьев. Число зубьев Z = 86:

 

t _шк =0,00384Zψ = 0,0384·86·1,27=4,19 мин

Операция 40 ― шлифование по диаметру (d = 220) и обоим торцам венца (врезанием):

 

t_шк.=3·0,0068d·ψ= 3·0,0068·220·2.1=9,42 мин

и т. д. Расчетные значения норм времени вносят в соответствующие графы маршрутной:карты или карты технологического процесса. Другие примеры технологического нормирования- в: [5, с. 44-50 и с. 101-105; 7, с. 83-85; 14, с. 80, I20, 150; 23, c. I2I-I24; 29 и др].