Текст
                    А.А.МАТАЛИН технол машиностроения
w
А.А. ШАТАЛИН
ТЕХНОЛОГИЯ МАШИНОСТРОЕНИЯ
Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебника для студентов вузов, обучающихся по специальности «Технология машиностроения, металлорежущие станки и инструменты»
«да-иронии
ван-1ЯМИ ‘ вс. ССР 1ПОД-чее 1ено >вки
язи По-зове :кой ЗЛЯ, зэго кже-Тро-1ние ния I но-
ЛЕНИНГРАД
„МАШИНОСТРОЕНИЕ" ЛЕНИНГРАДСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ 1985
эл о-рсу гех-ще-ных tax, кНИ-DTO-। таких |тся Дни :че-ела <их аия от-ей,
3
ББК 27.4 МЗЗ
УДК 62101.002 (075
Рецензенты: кафедра «Технологии механосборочного производства» МВТУ им. Н. Э. Баумана и канд. техн, наук И. Л. Ординарцев
Маталин А. А.
МЗЗ Технология машиностроения: Учебник дня машиностроительных вузов по специальности «Технология машиностроения, металлорежущие станки и инструменты». — Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1985. — 496 с., ил.
В пер.: 1 р. 50 к.
2704010000-076	ББК 27.4
038 (01)-83	6П5.4
[Андрей Александрович Маталин|
4-ЛИОТЕКА
..?го политех-
. <<о института
_______ ТЕХНОЛОГИЯ МАШ ИНОС ТРОЕНИЯ
Редактор издательства М. Г. Оболдуева Художественный редактор С. С. Венедиктов Технический редактор П. В. Шиканова Корректоры: Т. Н. Гринчук, И. Г. Иванова
Обложка художника И. А. Кутового
ИБ № 2292
Сдано в набор 07,03.85. Подписано в печать 12.08.85. М-22002.
Формат 60Х 90*/,«. Бумага типографская № I. Гарнитура литературная.
Печать высокая. Уел. печ. л. 32,0. Усл. кр.-отт. 32,0. Уч.-изд. л. 36,96. Тираж 67003 экз.
Заказ 61. Цена 1 р. 50 к.
Ленинградское отделение ордена Трудового Красного Знамени издательства «Машиностроение?,
191065, Ленинград, ул. Дзержинского, 10
Ленинградская типография № 6 ордена Трудового Красного Знамени Ленинградского объединения «Техническая книга» нм. Евгении Соколовой Союзполнграфпрома при Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли.
193144, Ленинград, ул. Моисеенко, 10
© Издательство «Машу.'огтроение», 1985 i,
ПРЕДИСЛОВИЕ
Современный уровень технического прогресса, непрерывное создание новых совершенных высокопроизводительных, автоматизированных и высокоточных машин, основанных на использовании новейших достижений науки, требуют подготовки высокообразованных инженеров, обладающих глубокими теоретическими знаниями и хорошо владеющих новой техникой и технологией производства. В связи с этим, в постановлении ЦК КПСС и Совета Министров СССР «О дальнейшем развитии высшей, школы и повышении качества подготовки специалистов» от 29 июня 1979 г. указано, что в настоящее время «главное внимание высшей школы должно быть сосредоточено на всестороннем улучшении качества профессиональной подготовки и идейно-политического воспитания специалистов, укреплении сгязи с производством, практикой коммунистического строительства. Постоянно совершенствовать учебные планы и программы на основе повышения значимости фундаментальных наук в теоретической и профессиональной подготовке специалистов широкого профиля, более полного отражения новейших достижений науки и передового опыта». Применительно к наиболее массовой специальности инженеров-механиков — специальности 0501 «Технология машиностроения, металлорежущие станки и инструменты» — это указание в первую очередь относится к совершенствованию преподавания основной профилирующей дисциплины «Технология машиностроения».
Для повышения значимости фундаментальных наук в технологической подготовке инженера-механика в новом учебнике по курсу технологии машиностроения важнейшие теоретические вопросы технологии излагаются в связи с соответствующими разделами общенаучных дисциплин. Учитывая, что основная часть общенаучных и общеинженерных дисциплин изучается на первых и вторых курсах, а специальные дисциплины — на четвертых и пятых курсах, возникает необходимость в специальных курсах кратко излагать некоторые разделы общетеоретических дисциплин с позиций их практического использования для решения инженерных, технологических задач. В предлагаемом учебнике, в частности, рассматриваются отдельные вопросы теории вероятностей и математической статистики в связи с определением случайных погрешностей обработки и расчетами размерных цепей; некоторые элементы физики твердого тела (теории дислокаций и др.) в связи с разработкой технологических методов повышения долговечности машин и изменением состояния металла поверхностного слоя в процессе обработки заготовок; отдельные вопросы теоретической механики (элементы теории связей,
1*	3
принятые в основу создания теории базирования и закрепления обрабатываемых заготовок, элементы теории колебаний, используемые при изучении динамики технологической системы и образования волнистости и погрешностей геометрической формы обрабатываемых заготовок).
Можно надеяться, что подобное сближение научно-теоретических и инженернцх проблем в специальных дисциплинах будет способствовать повышению общенаучной теоретической подготовки инженеров и ускорению практического использования достижений фундаментальных наук для решения производственных задач.
Особенно большое внимание уделяется в учебнике изложению теоретических основ технологии машиностроения, созданных за последние годы советскими учеными и производственными коллективами.
В учебнике подробно излагаются вопросы теории и методики проектирования технологических процессов механической обработки и сборки в условиях единичного, серийного и массового типа производства. В нем рассматриваются методика и особенности проектирования единичных, типовых и групповых технологических процессов, процессов обработки па автоматических линиях и на станках с числовым программным управлением. При этом особое внимание уделяется вопросам влияния типа и серийности производства на структуру технологических операций, характер технологической оснастки и содержание технологических процессов. Учебник построен на основе обобщения научных разработок в области проектирования технологических процессов, выполненных в технологических научных и проектных организациях, в вузах и на предприятиях страны, при широком использовании стандартизованных систем ЕСТПП ЛСТПП, ЕСКД и отдельных стандартов ГОСТ и СЭВ.
При составлении учебника широко использовался опыт и методические разработки технологических кафедр различных вузов страны: политехнических институтов Ленинграда, Горького, Одессы, Тулы, Ульяновска, Челябинска, МВТУ им. Баумана, ЛИТМО, Мосстанкина и других.
Автор выражает глубокую благодарность заведующему кафедрой Теоретической механики Ленинградского завода-втуза при ПО турбостроения «Ленинградский металлический завод» проф. В. Л. Вейцу за большую помощь и участие в разработке теоретических вопросов технологии машиностроения, а также доценту Одесского политехнического института Я. Д. Колкеру за участие в составлении раздела о технологии сборки.
ВВЕДЕНИЕ
Машиностроение, поставляющее новую технику всем отраслям народного хозяйства, определяет технический прогресс страны и оказывает решающее влияние на создание материальной базы нового общества. В связи с этим его развитию всегда придавалось и придается первостепенное значение. Основными направлениями экономического и социального развития СССР на 1981 —1985 годы и на период до 1990 года, утвержденными XXVI съездом КПСС, установлено: «Предусмотреть опережающее развитие машиностроения и металлообработки. Увеличить выпуск продукции машиностроения и металлообработки не менее чем в 1,4 раза», при общем увеличении промышленной продукции на 26—28 %.
Потребности развивающегося машиностроительного производства вызвали появление в Советском Союзе новой технической науки, получившей в дальнейшем название «Технология машиностроения».
Технология машиностроения — это наука об изготовлении машин требуемого качества в установленном производственной программой количестве и в заданные сроки при наименьших затратах живого и овеществленного mpt,da, т. е. при наименьшей себестоимости.
Технология машиностроения как наука прошла в своем развитии через несколько этапов.
Первый этап, совпадающий с завершением периода восстановления и началом реконструкции промышленности страны (до 1929— 1930 гг.) характеризуется накоплением отечественного и зарубежного производственного опыта изготовления машин. В отечественных и зарубежных технических журналах, каталогах и брошюрах публикуются описания процессов обработки различных деталей, применяемого оборудования и инструментов. Издаются первые руководящие и нормативные материалы ведомственных проектных организаций страны.
Второй этап относится к периоду первых пятилеток до начала отечественной войны (1930—1941 гг.) и определяется продолжением накопления производственного опыта с проведением его обобщения и систематизации и началом разработки общих научных принципов построения технологических процессов.
К этому времени следует отнести начало формирования технологии машиностроения как науки в связи с опубликованием в 1933— 1935 гг. первых систематизированных научных трудов советских профессоров: А. П. Соколовского, А. И. Каширина, В. М. Кована и А. Б. Яхина.
5
На этом этапе разрабатываются принципы типизации технологических процессов (проф. А. П. Соколовский, канд. техн, наук М. С. Красильщиков, проф. Ф. С. Демьянюк и др.) и осуществляется их практическое внедрение; начинается разработка теории базирования заготовок при их обработке, измерении и сборке (профессора А. П. Соколовский, А. П. Знаменский, А. И. Каширин, В. М. Кован, А. Б. Яхин и др.); создаются методы расчета припусков на обработку (профессора В. М. Кован, А. П. Соколовский, Б. С. Балакшин, А. И. Каширин и др.); начинаются работы по изучению жесткости технологической системы (инж. К. В. Вотинов, проф. А. П. Соколовский). В то же время начинаются разработка расчетно-аналитического метода определения первичных погрешностей обработки заготовок (профессора А. П. Соколовский, Б. С. Балакшин, В. С. Корсаков, А. Б. Яхин и др.) и методов исследования точности обработки на станках с применением математической статистики и теории вероятностей (профессора А. А. Зыков, А. Б. Яхин).
Очень большое значение для повышения общего технического уровня промышленных предприятий и развития технологии машиностроения, создания систематизированной и упорядоченной технологической документации и повышения качества выпускаемой продукции имели опубликованные в этот период: Указ Президиума Верховного Совета СССР от 10 июля 1940 г. об ответственности за выпуск недоброкачественной продукции и за несоблюдение обязательных стандартов промышленными предприятиями и Постановление Совета Народных Комиссаров СССР от 8 декабря 1940 г. «О соблюдении технологической дисциплины на машиностроительных заводах». Наличие хорошо отработанной технологической документации и высокая технологическая дисциплина на машиностроительных предприятиях сыграли решающую роль для быстрого развертывания работы заводов, эвакуированных на Восток, и бесперебойного снабжения фронта военной техникой с первых дней войны.
Третий этап, охватывающий годы войны и послевоенного развития (1941 —1970 гг.), отличается исключительно интенсивным развитием технологии машиностроения, разработкой новых технологических идей и формированием научных основ технологической науки. Практическая проверка принципов дифференциации и концентрации операций, методов поточного производства в условиях серийного и крупносерийного изготовления военной техники, новые методы скоростной обработки металлов, применение переналаживаемой технологической оснастки и целый ряд других технических новинок, осуществленных в военные годы, были подвергнуты в этот период глубокому научному анализу и теоретической разработке.
В эти годы формируется современная теория точности обработки заготовок и подробно разрабатывается расчетно-аналитический метод определения первичных погрешностей обработки и их суммирования (профессора А. П. Соколовский, Б. С. Балакшин, В. М. Кован, В. С. Корсаков, А. Б. Яхин и др.); развиваются и широко используются методы математической статистики и теории вероятностей
6
для анализа точности процессов механической обработки и сборки, работы оборудования и инструмента (профессора Н. А. Бородачев, Д. Б. Яхин и др.), анализа микрорельефа обработанной поверхности и абразивного инструмента (профессора И. В. Дунин-Барковский, Ю. В. Линник и др.). Детально разрабатывается учение о жесткости технологической системы и ее влиянии на точность и производительность обработки (профессора Б. С. Балакшин, А. П. Соколовский, В. А. Скраган и др.) и широко внедряются методы расчетов жесткости в конструкторские и технологические расчеты во многих проектных организациях и НИИ. Продолжается разработка теории базирования обрабатываемых заготовок и собираемых узлов (профессора Б. С. Балакшин, А. И. Каширин, В. М. Кован, В. С. Корсаков, И. М. Колесов, А. А. Маталин, А. П. Соколовский и др.) и расчета припусков на обработку (профессора В. М. Кован, А. П. Соколовский и др.). Широко развертываются теоретические и экспериментальные исследования качества обработанной поверхности (шероховатости, наклепа, остаточных напряжений) и их влияния на важнейшие эксплуатационные свойства деталей машин (профессора П. Е. Дьяченко, Б. Д. Грозин, А. И. Исаев, А. И. Каширин, Б. И. Костецкий, Б. А. Кравченко, И. В. Кра-гельский, И. В. Кудрявцев, А. А. Маталин, Д. Д. Папшев, А. В. Подзей, Ю. Г. Проскуряков, Э. В. Рыжов, Э. А. Сатель, А. М. Сулима, Ю. Г. Шнейдер, М. О. Якобсон и др.). Формируется новое научное направление — учение о технологической наследственности (профессора А. М. Дальский, А. А. Маталин, П. И. Ящерицын). Развертываются работы по изучению влияния динамики технологической системы на точность механической обработки, шероховатость и волнистость обработанных поверхностей (профессора И. С. Амосов, А. И. Каширин, В. А. Кудинов, А. П. Соколовский).
В этот период начинается разработка проблемы организации поточных и автоматизированных технологических процессов обработки заготовок в серийном производстве. Профессором С. П. Митрофановым разрабатывается и внедряется в производство групповой метод технологии и организации производства. На базе типизации технологических процессов и использования переналаживаемого оборудования и технологической оснастки создаются поточные линии серийного производства (профессора В. В. Бойцов, Ф. С. Демьянюк); подробно разрабатывается построение структур технологических операций (профессора В. М. Кован, В. С. Корсаков, Д. В. Чарнко). Под руководством проф. Б. С. Балакшина в Мосстанкине создаются системы адаптивного управления технологическими процессами обработки на металлорежущих станках (профессора Б. С. Балакшин, Б. М. Базров, Ю. М. Соломенцев, И. М. Колесов, С. П. Протопопов, М. М. Тверской, В. А, Тимирязев, Е. И. Луцков, В. А. Медведев, Л. В. Худо-бин и др.).
Систематизируются и обобщаются материалы по технологии сборки и разрабатываются ее научные основы (профес
7
сора В. С. Корсаков, М. П. Новиков). Продолжается накопление производственного опыта производства машин и совершенствуются различные методы обработки заготовок. Находят широкое применение методы объемной и чистовой обработки пластическим деформированием, электрофизической и электрохимической обработки.
Четвертый этап — с 1970 г. по настоящее время. Отличительной особенностью современного этапа развития технологии машиностроения является широкое использование достижений фундаментальных и общеинженерных наук для решения теоретических проблем и практических задач технологии машиностроения. Различные разделы математических наук, теоретической механики, физики, химии, теории пластичности, материаловедения, кристаллографии и многих других наук принимаются в качестве теоретической основы новых направлений технологии машиностроения или используются в качестве аппарата для решения практических технологических вопросов, существенно повышая общий теоретический уровень технологии машиностроения и ее практические возможности. Распространяются применение вычислительной техники при проектировании технологических процессов и математическое моделирование процессов механической обработки. Осуществляется автоматизация программирования процессов обработки на широко распространяющихся станках с ЧПУ. Создаются системы автоматизированного проектирования технологических процессов — САПР ТП (профессора Г. К. Горан-ский, Н. М. Капустин, С. П. Митрофанов, В. Д. Цветков).
Углубляется разработка проблемы влияния технологии на физико-химическое состояние металла поверхностного слоя обрабатываемых заготовок, его дислокационное строение, размеры кристаллических блоков и на эксплуатационные свойства и надежность деталей машин (проф. А. М. Сулима и др.). Продолжается разработка проблемы технологической наследственности и упрочняющей технологии. Разрабатываются методы оптимизации- технологических процессов по достигаемой точности, производительности и экономичности изготовления при обеспечении высоких эксплуатационных качеств и надежности работы машины (профессора Б. М. Базров, Ю. М. Соломенцев, С. С. Силин, С. Н. Корчак, Л. В. Худобин и др.). Создаются системы автоматизированного управления ходом технологического процесса с его оптимизацией по всем основным параметрам изготовления и требуемым эксплуатационным качествам. Развертываются работы по созданию гибких автоматизированных производственных систем на основе использования ЭВМ, автоматизации межоперационпого транспорта и контроля и робототехники.
Продолжается совершенствование технологических процессов изготовления деталей машин и сборки (в особенности в направлениях создания ма оотходной технологии, чистовой обработки и автоматизации сборочных работ). Развитие технологии машиностроения на данном этапе должно «осуществлять переход к массовому применению высокоэффективных систем машин и технологических процессов, обеспечивающих комплексную механизацию и автомати
8
зацию производства, техническое перевооружение его основных отраслей» х.
Технология машиностроения как учебная дисциплина имеет ряд особенностей, существенно отличающих ее от других специальных наук, изучаемых в вузах.
1.	Технология машиностроения является прикладной наукой, вызванной к жизни потребностями развивающейся промышленности. Как писал один из ее основателей проф. А. П. Соколовский: учение о технологии родилось в цехе и не должно порывать с ним связи. В противном случае работа технолога станет академической и бесплодной.
2.	Являясь прикладной наукой, технология машиностроения вместе с тем имеет значительную теоретическую основу, включающую в себя: учение о типизации технологических процессов и групповой обработке, о жесткости технолог! ческой системы, о точности процессов обработки, рассеянии размеров обрабатываемых заготовок, погрешностях технологической оснастки и оборудования, о влиянии механической обработки на состояние металла поверхностных слоев заготовок и эксплуатационные свойства деталей машин, о припусках на обработку, о путях повышения производительности и экономичности технологических процессов, а также теорию конструкторских и технологических баз и другие теоретические разделы.
3.	Технология машиностроения является комплексной инженерной и научной дисциплиной, тесно связанной и широко использующей разработки многих учебных дисциплин, изучаемых в технических вузах. Само определение технологии машиностроения как науки об изготовлении машин трактует ее как синтез технических проблем («изготовление машин требуемого качества»), организации производства («в установленном производственной программой количестве»), планирования («в заданные сроки») и экономики машиностроения («при наименьшей себестоимости»).
Некоторые важные разделы этих наук стали-органической частью технологии машиностроения. Так, например, определение трудоемкости обработки и техническое нормирование сейчас являются разделом общего курса технологии машиностроения. Сопоставление экономичности технологических вариантов и расчеты себестоимости обработки и технологической оснастки являются обязательной частью проектирования технологических процессов. Исходя из требований организации и планирования поточной обработки и синхронизации отдельных операций соответственно установленному такту, определяется структура технологических операций и все построение поточной или автоматической линии.
Чрезвычайно велика связь технологии машиностроения с такими дисциплинами, как теория резания, металлорежущие станки и инструменты, допуски, технические измерения, материаловедение и
«Основные направления экономического и социального развитияСССР на 1981— 1985 годы и на период до 1990 года». Материалы XXVI съезда КПСС. М.: Изд-во политической литературы, 1984 г., 223 с.
9
термическая обработка. Рассмотрение технологических вопросов без использования этих наук вообще невозможно.
Важнейшие современные направления развития технологии машиностроения по оптимизации режимов и процессов обработки, автоматизации серийного производства и управления технологическими процессами, применению технологических методов повышения эксплуатационных качеств изготовляемых изделий и других в значительной мере основываются на достижениях математических наук, электронной вычислительной и управляющей техники, кибернетики, робототехники, металлофизики и других современных теоретических и технических наук.
4.	Технология машиностроения является одной из самых молодых наук, быстро развивающейся вместе с возникновением новой техники и совершенствованием промышленного производства. Ее содержание непрерывно уточняется и обогащается новыми сведениями и теоретическими разработками.
5.	Технология машиностроения как наука возникла в Советском Союзе и развивается трудами советских ученых, производственников новаторов производства.
6.	Как учебная дисциплина Высшей школы технология машиност гения ограничивается рассмотрением вопросов механосборочного производства.
7.	Технология машиностроения является основной профилирующей дисциплиной специальности 0501 . технология машиностроения, металлорежущие станки и инструменты», в значительной мере определяющей уровень профессиональной подготовки инженеров этой специальности и их способности к практическому использованию достижений общетеоретических и общеинзйенерных наук.
ЧАСТЬ I
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ
Глава 1
ПРОИЗВОДСТВО МАШИН
$ 1.1
МАШИНА НАН ОБЪЕНТ ПРОИЗВОДСТВА
Объектами производства машинострои гельной промышленности являются различные машины.
Машина — это механизм или сочетание механизмов, осуществляющих целесообразные движения для преобразования энергии или производства работ. В зависимости от основного назначен! я различают два класса машин: машш.ы-двигатели, с помощью которых один вид энергии преобразуется в другой, удобный для использования, и рабочие машины (машины-орудия), с помощью которых производится изменение формы, свойств и положения объекта труда.
Машины, механизмы и установки, их агрегаты или детали в процессе производства их на машиностроительном предприятии являются изделиями.
Изделие — это предмет или набор предметов производства, подлежащих изготовлению на предприятии.
Изделия в зависимости от их назначения делят на изделия основного и вспомогательного производства. К изделиям основного производства относятся изделия, предназначенные для поставки (реализации), а к изделиям вспомогательного произвсдства — изделия, предназначенные только для собственных нужд изготовляющею их предприятия.
ГОСТом установлены перечисленные ниже виды изделий.
Деталь — это изделие, изготовленное из однородного по наименованию и марке материала без применения сборочных операций ганример, валик из одного куска металла, литой корпус и т. п,). У каждой детали, участвующей в сборне, имеются сопрягающиеся и несопрягиющиеся поверхности. Первые при сборке соприкасаются с поверхностями других деталей, образуя соответствующие сопряжения. При этом различные сопрягающиеся поверхности могут
11
иметь различное назначение. Одни из них служат для присоединения данной детали к другим деталям (например, нижняя плоскость передней бабки токарного станка сопрягается с соответствующей поверхностью станины и определяет этим положение передней бабки относительно станины; шейки шпинделя станка, сопрягаясь с отвер-стями вкладышей подшипников, определяют положение шпинделя станка; хвостовик турбинной лопатки, сопрягаясь <i соответствующими пазами ротора, задает конкретные положения турбинной лопатке и т. д.). Такие поверхности называются основным базами. Другие сопрягаемые поверхности служат для присоединения к данной детали других деталей сборочного соединения и носят название вспомогательных баз (например, поверхность станины, на которую опирается основная база передней бабки станка — ее нижняя плоскость, является вспомогательной базой станины; отверстие вкладыша подшипника, в котором устанавливается шпиндель станка, является вспомогательной базой вкладыша и т. д.). Таким образом, при сборке соединений основные базы одной детали опираются на вспомогательные базы другой. Сопрягающиеся поверхности, имеющие назначение выполнять некоторые рабочие функции (поверхность шкива, соприкасающаяся с приводным ремнем; поверхность резьбы в винтовых механизмах; рабочая поверхность турбинной лопатки, соприкасающаяся с рабочим паром или газовой смесью и т. п.), называются функциональными (исполнительными или рабочими).
Функциональные (исполнительные) поверхности детали могут быть и несопрягающимися (например, отражательная поверхность зеркала и т. п.).
Остальные поверхности детали являются несопрягающимися («свободными») и служат лишь для оформления требуемой конфигурации детали. Они часто не обрабатываются или обрабатываются с пониженной точностью для предотвращения отрыва от необработанной поверхности окалины или для уравновешивания и балансировки быстро вращающихся деталей.
Базовые детали — это детали с базовыми поверхностями, выполняющие в сборочном соединении (в узле) роль соединительного звена, обеспечивающего при сборке соответствующее относительное положение других деталей. Применительно к общей сборке изделия, когда основными сборочными элементами являются уже собранные сборочные соединения (узлы), одно из этих соединений, удовлетворяющее изложенному выше требованию (сформулированному для базовой детали), называется базовым сборочным соединением (базовым узлом).
Сборочная единица (узел) — это часть изделия, которая собирается отдельно и в Дальнейшем участвует в процессе сборки как одно целое. Составные части сборочной единицы подлежат соединению между собой на предприятии-изготовителе сборочными операциями (свинчиванием, склеиванием, клепкой, опрессовкой и т. п.); например, собираются шпиндельный узел, коробка скоростей, ротор турбины, составной коленчатый вал и т. п.
12
Схема сборочных элементов
Сборочные единицы (узлы), в процессе общей сборки непосредственно входящие в изделие, называются сборочными единицами первого порядка. Сборочные единицы, входящие в сборочную единицу первого порядка, называются сборочными единицами второго порядка и т. д.
Отдельные детали (например, крепежные) могут входить в сборочные единицы любого порядка или непосредственно в собираемое изделие (рис. 1.1).
Собранное изделие может рассматриваться как сборочная единица нулевого порядка.
Сборочный комплект — это группа составных частей изделия, которые необходимо подать на рабочее место для сборки изделия или его составной части (ГОСТ 3.1109—82).
Объектами производства машиностроительных предприятий могут быть комплексы и комплекты изделий, кроме отдельных машин и их частей.
Комплекс — это два и более специфицированных (состоящих из двух и более составных частей) изделия, не соединенных на предприятии-изготовителе сборочными операциями, но предназначенных для выполнения взаимосвязанных эксплуа
тационных функций; например: автоматическая линия, цех-автомат, станок с ЧПУ с управляющими панелями и т. п.
Комплект — это два и более изделий, не соединенных на предприятии-изготовителе сборочными операциями и представляющих набор изделий, которые имеют общее эксплуатационное назначение вспомогательного характера; например: комплекты запасных частей, инструмента и принадлежностей, измерительной аппаратуры, упаковочной тары и т. п.
Комплектующее изделие — это изделие предприятия-поставщика, применяемое как составная часть изделия, выпускаемого предприятием-изготовителем. Составными частями изделия могут быть детали и сборочные единицы (ГОСТ 3.1109—82).
Для построения эффективного технологического процесса сборки необходимо расчленить изделие на ряд сборочных единиц и деталей. Такое расчленение производится на стадиях конструкторской подготовки производства при разработке конструкции изделия (рис. 1.1). При этом составные части (сборочные единицы) могут быть спроектированы с учетом конструктивных или технологических требований. В соответствии с этими требованиями различают конструктивные сборочные единицы и технологические сборочные единицы или узлы.
Конструктивная сборочная единица — это единица, спроектированная лишь по функциональному принципу без учета особого
13
значения условий независимой и самостоятельной сборки. Примером таких сборочных единиц могут быть механизмы газораспределения, системы топливопроводов и маслопроводов двигателя и т. п.
Технологическая сборочная единица или узел — это сборочная единица, которая может собираться отдельно от других составных частей изделия (или изделия в целом) и выполнять определенную функцию в изделиях одного назначения только совместно с другими составными частями (ГОСТ 23887—79). На рис. 1.2 представлена схема расчленения консольно-фрезерного станка.
Рис. 1.2
Схема расчленения коисольно-фрезерного станка:
1 — станина; 2 — поворотная головка; 3 — стол и салазки* 4 — консоль; 5 ~ коровка подач; 6 — электрооборудование; 7 — коробка переключений; 8 — коробка скоростей
Наилучшим вариантом конструкции является сборочная единица, которая отвечает условию функционального назначения ее в изделии и условию самостоятельной независимой сборки. Это так называемая конструктивно-технологическая сборочная единица. К таким единицам можно отнести насосы, клапаны, вентили, коробки скоростей, коробки передач и т. п.
Принцип конструирования изделий из таких единиц называется агрегатным или блочным. Из конструктивно-технологических сборочных единиц формируются агрегаты.
Агрегат — это сборочная единица, обладающая полной взаимозаменяемостью, возможностью сборки отдельно от других составных частей изделия (или изделия в целом) и способностью выполнять определенную функцию в изделии или самостоятельно. Сборка изделия или его составной части из агрегатов называется агрегатной или модульной. Изделие, спроектированное по агрегатному (модульному) принципу, несомненно, имеет лучшие технико-экономические показатели как в изготовлении, так и в эксплуатации и ремонте;
14
цикл сборки значительно сокращается. Повышается и качество сборки за счет того, что каждая сборочная единица после ее сборки может быть испытана по функциональным параметрам независимо от других сборочных единиц. Значительно улучшаются условия эксплуатации такого изделия, особенно при замене отдельных составных частей. Агрегатная конструкция позволяет ремонтировать каждую составную часть в отдельности, исходя из ее состояния. При этом уменьшается количество изделий, находящихся в резерве.
Рнс. 1.3
Модульная конструкция авиационного двигателя:
1 — вентилятор; 2 *— компрессор среднего давления; 3 переходный модуль;
4 турбина привода компрессора среднего давления; 5 — турбина привода вентилятора; 6 — компрессор и турбина высокого давления; 7 коробка приводов
Пример агрегатной (модульной) конструкции авиационного двигателя показан на рис. 1.3.
Каждая сборочная единица включает в себя определенные виды соединений деталей. По возможности относительного перемещения составных частей соединения подразделяются (рис. 1.4) на подвижные и неподвижные.
По сохранению целостности при сборке соединения подразделяются на разъемные и неразъемные. Соединение считается разъемным, если при его разборке сохраняется целостность его составных частей, и неразъемным, если при разборке его составные часта повреждаются и их целостность нарушается.
При этом соединения могут быть: неподвижными разъемными (резьбовые, пазовые, конические); неподвижными неразъемными (соединения запрессовкой, развальцовкой, клепкой); подвижными разъемными (подшипники скольжения, плунжеры-втулки, зубья зубчатых колес, каретки-станины); подвижными неразъемными (подшипники качения, запорные клапаны).
<5
Количество разъемных соединений в современных машинах и механизмах составляет 65—85 % от всех соединений.
Неразъемные соединения в процессе эксплуатации и ремонта нередко подвергаются разборке, вызывающей большие затруднения и часто приводящей к порче сопряженных поверхностей (одной или обеих деталей соединения), а также дополнительной пригонке, доработке или замене.
По форме сопрягаемых поверхностей соединения подразделяются на: цилиндрические (до 35—40 % всех соединений), плоские (15—
Характеристика сборочных соединений
Рис, 1.4
Классификация видов соединений сборочных элементов
20 %), комбинированные (15—25 %), конические (6—7 %), сферические (2—3 %), винтовые и профильные.
По методу образования соединений они разделяются на резьбовые, клиновые, штифтовые, шпоночные, шлицевые, сварные, паяные, клепаные, клееные, фланцевые, прессовые, фальцованные (соединения, полученные с применением совместного загибания их кромок), развальцованные и комбинированные и др.
Важнейшей характеристикой современных машин является их качество. В соответствии с ГОСТ 15467—79 под качеством продукции понимается совокупность свойств, обусловливающих ее пригодность удовлетворять определенным потребностям в соответствии с ее назначением.
Качество каждой машины характеризуется определенной системой показателей, учитывающих ее назначение и регламентируемых ГОСТ 15895—77, ГОСТ 16035—81, ГОСТ 16504—81 и др. При этом степень совершенства машины, выражающаяся ее мощностью, КПД, производительностью и экономичностью, степенью автоматизации и точностью работы и некоторыми другими показателями, определяет общий технический уровень машины.
Для общей оценки качества машины большое значение имеет ее работоспособность, под которой понимается такое состояние изделия, при котором оно способно выполнять заданные функции, сохраняя 16
значения заданных параметров в пределах установленных нормативно-технической документацией. В связи с этим одной из основных характеристик современных машин является их надежность.
Надежность — это свойство изделия сохранять во времени свою работоспособность (ГОСТ 13377—75). Отказ — это событие, заключающееся в нарушении работоспособности изделия. Время работы изделия до отказа, выраженное в часах, называется наработкой до отказа и по своему существу является случайной величиной.
Срок службы изделия, определяемый его наработкой до достижения предельного регламентированного состояния (предельный износ и т. п.), называется ресурсом.
Ресурс в отработанных часах или допустимый срок службы изделия (в календарных часах), в отличие от наработки до отказа, является неслучайной, детерминированной величиной (регламентированное время работы изделия, определяющее его долговечность).
Надежность изделия — это обобщенное свойство, которое включает в себя понятия безотказности и долговечности.
Безотказность — это свойство изделия непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого периода времени или некоторой наработки. При этом предполагается самостоятельная непрерывная работа изделия без каких-либо вмешательств для поддержания работоспособности (т. е. без регулировки и ремонта).
Долговечность — это свойство изделия сохранять работоспособность до наступления предельного состояния, т. е. в течение всего периода эксплуатации при установленной системе технического обслуживания и ремонтов.
Кроме эксплуатационных показателей качество машины характеризуется экономичностью их эксплуатации, изготовления и ремонта и системой производственно-технологических показателей, перечисленных ниже.
Трудоемкость определяется продолжительностью изготовления изделия при нормальной интенсивности труда в часах.
Станкоемкость характеризуется продолжительностью времени, в течение которого должны быть заняты станки или другое оборудование для изготовления всех деталей изделия. Единицей измерения станкоемкости обычно является станко-час.
Производственный цикл — интервал календарного времени от начала до окончания процесса изготовления или ремонта изделия, а также ряд других показателей организационно-технического характера.
Конструктивная преемственность изделия — это свойство изделия, определяющее возможность использования в нем деталей и сборочных единиц, применяемых или применявшихся в других изделиях.
Технологическая преемственность изделия — это свойство изделия, определяющее возможность использования применяемых на предприятии технологических процессов, отдельных технологических операций и средств технологического оснащения для его изготовления или ремонта.
17
Изготовление современных машин и приборов требует четкой организации всего производственного процесса при тщательной технологической подготовке производства.
$ 1.2
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ПОДГОТОВКА ПРОИЗВОДСТВА
Производственный процесс представляет собой совокупность всех действий людей и орудий производства, необходимых на данном предприятии для изготовления или ремонта выпускаемых изделий.
В состав производственного процесса включаются все действия по изготовлению и сборке продукции, контролю ее качества, хранению и перемещению на всех стадиях изготовления, организации снабжения и обслуживания рабочих мест и участков, управления всеми звеньями производства, а также все работы по технической подготовке производства. Рациональная организация производственного процесса невозможна без проведения тщательной технической подготовки производства.
Техническая подготовка производства. Этот процесс включает в себя следующее.
1.	Конструкторскую подготовку производства (разработку конструкции изделия и создание чертежей общей сборки изделия, сборочных элементов и отдельных деталей изделий, запускаемых в производство с оформлением соответствующих спецификаций и других видов конструкторской документации).
2.	Технологическую подготовку производства, т. е. совокупность взаимосвязанных процессов, обеспечивающих технологическую готовность предприятий (или предприятия) к выпуску изделий заданного уровня качества при установленных сроках, объеме выпуска и затратах. К технологической подготовке производства относятся обеспечение технологичности конструкции изделия, разработка технологических процессов, проектирование и изготовление средств технологического оснащения, управление процессом технологической подготовки производства.
3.	Календарное планирование производственного процесса изготовления изделия в установленные сроки, в необходимых объемах выпуска и затратах.
Ответственной и трудоемкой частью технической подготовки производства является технологическое проектирование, трудоемкость которого составляет 30—40 % (в процентах от общей трудоемкости технической подготовки) в условиях мелкосерийного производства, 40—50 % при серийном и 50—60 % при массовом производстве.
Рост трудоемкости проектирования технологических процессов с увеличением выпуска продукции объясняется тем, что в крупносерийном и массовом производстве разработка процессов производится более тщательно, чем в серийном (увеличивается по общему объему, усложняется технологическая оснастка, подробнее разрабатывается документация).
18
Трудоемкость технологического проектирования в большинстве случаев заметно превосходит трудоемкость конструирования машин (табл. !•!)•
Таблица 1.1
Трудоемкость конструирования машин и проектирования технологических процессов
Изделие	Трудоемкость конструирования машин		Трудоемкость проектирования техиологиче- -ских процессов и осн астки	'	
	в часах	в процентах	в часах	в процентах
Паровая турбина ВК-50-1	82 292	100	207 125	252
Гидротурбина Цимлянской	67 800	100	202 400	300
Кран мостовой	10 433	100	43 710	420
Экскаватор СЭ-3	51 575	100	94 481	183
Гусеничный трактор С-80	125 000	100	620 000	496
Технологический процесс и его структура. В соответствии с ГОСТ 3.1109—82 технологический процесс — это часть производственного процесса, содержащая целенаправленные действия по изменению и (или) определению состояния предмета труда. Работа по созданию технологических процессов в соответствии с ГОСТ 14.301—83 в общем случае включает в себя: анализ исходных данных для разработки технологического процесса; подбор действующего типового, группового технологического процесса или поиск аналога единичного процесса; выбор исходной заготовки и методов ее изготовления; выбор технологических баз; составление технологического маршрута обработки; разработку технологических операций; разработку или уточнение последовательности переходов в операции; выбор средств технологического оснащения (СТО) операции; определение потребности СТО, заказ новых СТО, в том числе средств контроля и испытаний; выбор средств механизации и автоматизации элементов процесса и внутрицеховых средства транспортирования; назначение и расчет режимов обработки; нормирование технологического процесса; определение требований техники безопасности; расчет экономической эффективности технологического процесса; оформление технологических процессов.
Приведенное выше общее определение технологического процесса можно уточнить применительно к условиям машиностроительного производства: технологический процесс — это часть производственного процесса, включающая в себя последовательное изменение: размеров, формы, внешнего вида или внутренних свойств предмета производства и их контроль.
Технологические процессы строятся по отдельным методам их выполнения (процессы механической обработки, сборки, литья, термической обработки, покрытий и т. п.).
19
Технологичная операция — это законченная часть технологического процесса, выполняемая на одном рабочем месте (ГОСТ 3.1109—82). Применительно к условиям механосборочного производства стандартизированное определение операции можно представить в следующем виде: технологическая операция — это часть технологического процесса, выполняемая непрерывно на одном рабочем месте, над одним или несколькими одновременно обрабатываемыми или собираемыми изделиями, одним или несколькими рабочими.
Условие непрерывности операции означает выполнение предусмотренной ею работы без перехода к обработке другого изделия. Например, обработка ступенчатого валика в центрах на токарном станке представляет собой одну технологическую операцию, если ее выполняют в такой последовательности: устанавливают заготовку в центрах, обтачивают валик с одного конца, снимают заготовку, переустанавливают хомутик и вторично устанавливают заготовку в центрах, обтачивают валик с другого конца. Аналогичную по содержанию работу над валиком можно выполнить и за две операции: 1) закрепить хомутик, установить заготовку в центрах, обточить с одного конца и снять хомутик; 2)закрепить хомутик на другом конце заготовки, установить ее в центрах и обточить с другого конца, если вторичная установка и обработка второго конца валика последует не сразу после обработки первого конца, а с перерывом для обработки других заготовок партии (т. е. сначала все заготовки обрабатываются с одного конца, а потом все — с другого). Приведенный пример показывает, что состав операции устанавливают не только на основе чисто технологических соображений, но и с учетом организационной целесообразности.
Технологическая операция является основной единицей производственного планирования и учета. На основе операций определяется трудоемкость изготовления изделий и устанавливаются нормы времени и расценки; задается требующееся количество рабочих, оборудования, приспособлений и инструментов; определяется себестоимость обработки; производится календарное планирование производства и осуществляется контроль качества и сроков выполнения работ.
В условиях автоматизированного производства под операцией понимается законченная часть технологического процесса, выполняемая непрерывно на автоматической линии, которая состоит из нескольких станков, связанных автоматически действующими транспортно-загрузочными устройствами.
В условиях гибкого автоматизированного производства непрерывность выполнения операции может нарушаться направлением обрабатываемых заготовок на промежуточный склад в периоды между отдельными позициями, выполняемыми на разных технологических модулях.
Кроме технологических операций в состав технологического процесса в ряде случаев (например, в поточном производстве и особенно при обработке на автоматических линиях и в гибких технолс-20
гических комплексах) включаются вспомогательные операции (транспортные, контрольные, маркировочные, по удалению стружки и т. п.), не изменяющие размеров, формы, внешнего вида или свойств обрабатываемого изделия, но необходимые для осуществления технологических операций.
Устинов представляет собой часть технологической операции, выполняемую при неизменном закреплении обрабатываемых заготовок или собираемой сборочной единицы.
Позиция*— фиксированное положение, занимаемое неизменно закрепленной обрабатываемой заготовкой или собираемой сборочной единицей совместно с приспособлением относительно инструмента или неподвижной части оборудования, для выполнения определенной части операции.
Технологический переход — законченная часть технологической операции, характеризуемая постоянством применяемого инструмента и поверхностей, образуемых обработкой или соединяемых при сборке.
Применительно к условиям механической обработки определение перехода можно уточнить следующей формулировкой: технологический переход представляет собой законченную часть технологической операции, выполняемую над одной или несколькими поверхностями заготовки, одним или несколькими одновременно работающими инструментами без изменения или при автоматическом, изменении режимов работы станка.
При этом автоматическое изменение режима работы станка внутри одного технологического перехода имеет место в период обработки заготовок на станках с программным или адаптивным управлением. В случае использования обычных металлорежущих станков технологические переходы, как правило, осуществляются при неизменных режимах их работы.
Из приведенного определения следует, что одним переходом является не только часть операции, относящаяся к обработке одной простой поверхности или фасонной поверхности простым или фасонным инструментом, но и одновременная обработка нескольких поверхностей комплектом режущих инструментов (набором фрез, многорезцовая обработка), а также обработка криволинейных поверхностей простым инструментом, движущимся по контуру или заданной программе (фрезерование кулачков, рабочего профиля турбинной лопатки и т. п.).
Элементарный переход — часть технологического перехода, выполняемая одним инструментом, над одним участком поверхности обрабатываемой заготовки, за один рабочий ход без изменения режима работы станка.
Понятие элементарного перехода удобно при проектировании технологической операции и расчете основного времени обработки заготовок на станках с ЧПУ, когда внутри технологического перехода производятся изменения режимов работы станка. Так, например, при обработке фасонных контуров на станках с ЧПУ во многих случаях внутри перехода изменяется припуск на обработку или
21
условия резания (работа фрезы «на подъем контура» и «на снижение контура»), что делает целесообразным введение в программу другой величины подачи на соответствующих участках обрабатываемого контура.
Длина участков поверхности, обрабатываемой с неизменной подачей, и соответствующее ей основное время обработки определяют величину элементарного перехода.
Вспомогательный переход — законченная часть технологической операции, состоящая из действий человека и (или) оборудования, которые не сопровождаются изменением формы, размеров и шероховатости поверхностей предмета труда, но необходимы для выполнения технологического перехода. Примерами вспомогательных переходов являются: установка заготовки, смена инструмента и т. д.
Рабочий ход — это законченная часть технологического перехода, состоящая из однократного перемещения инструмента относительно заготовки, сопровождаемого изменением формы, размеров, качества поверхности и свойств заготовки. Понятие рабочего хода соответствует применявшемуся ранее в технологической практике понятию перехода, который рассматривался как простейший переход, заключающийся в снятии одного слоя металла.
Вспомогательный ход — это законченная часть технологического перехода, состоящая из однократного перемещения инструмента относительно заготовки, не сопровождаемого изменением формы, качества поверхности или свойств заготовки, но необходимого для подготовки рабочего хода.
Прием — это законченная совокупность действий человека, применяемых при выполнении перехода или его части и объединенных одним целевым назначением.
§ 1-3
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ
ПРОИЗВОДСТВА
Одним из основных принципов построения технологических процессов является принцип совмещения технических, экономических и организационных задач, решаемых в данных производственных условиях. Проектируемый технологический процесс безусловно должен обеспечить выполнение всех требований к точности и качеству изделия, предусмотренных чертежом и техническими условиями, при наименьших затратах труда и минимальной себестоимости, а также при изготовлении изделий в количествах и в сроки, установленные производственной программой.
Даже наилучший с точки зрения обеспечения точности обработки технологический процесс является совершенно неприемлемым для предприятия, если при его использовании не может быть выполнена установленная производственная программа или если себестоимость изделий получается чрезмерно высокой. Наименьшие затраты при изготовлении изделий могут быть достигнуты в случае построения 22
ехнологического процесса в полном соответствии с типом данного ппоизводства и его условиям#.
Н В соответствии с ГОСТ 14.004—S3, в зависимости от широты номенклатуры, регулярности, стабильности и объема выпуска изде-лий, современное производство подразделяется на различные типы: единичное, серийное и массовое.
Единичное производство характеризуется широтой номенклатуры изготовляемых или ремонтируемых изделий и малым объемом выпуска изделий (под объемом выпуска подразумевается количество изделий определенных наименования, типоразмера и исполнения, изготовляемых или ремонтируемых объединением, предприятием или его подразделением в течение планируемого интервала времени).
На предприятиях единичного производства количество выпускаемых изделий и размеры операционных партий заготовок (т. е. количество заготовок, поступающих на рабочее место для выполнения технологической операции) исчисляется штуками и десятками штук; на рабочих местах выполняются разнообразные технологические операции, повторяющиеся нерегулярно или не повторяющиеся совсем; используется универсальное точное оборудование, которое расставляется в цехах по технологическим группам (токарный, фрезерный, сверлильный, зуборезный и т. п. участки); специальные приспособления и инструменты как правило не применяются (они создаются только в случаях невозможности выполнения операции без специальной технологической оснастки); исходные заготовки — простейшие (литье в землю, горячий прокат, поковки) с малой точностью и большими припусками; требуемая точность достигается методом пробных ходов и промеров с использованием разметки; взаимозаменяемость деталей и узлов во многих случаях отсутствует 1; широко применяется пригонка по месту; квалификация рабочих очень высокая, так как от нее в значительной мере зависит качество продукции; технологическая документация сокращенная и упрощенная; технические нормы отсутствуют; применяется опытностатистическое нормирование труда.
Массовое производство характеризуется узкой номенклатурой и большим объемом выпуска изделий, непрерывно изготовляемых или ремонтируемых в течение продолжительного времени.
Коэффициент закрепления операций в соответствии с ГОСТ 3.1108—74 для массового производства равен единице, т. е. на каждом рабочем месте закрепляется выполнение одной постоянно повторяющейся операции. При этом используется специальное высокопроизводительное оборудование, которое расставляется по поточному принципу (т. е. по ходу технологического процесса) и во многих случаях связывается транспортирующими устройствами и конвейерами с постами промежуточного автоматического контроля, а также промежуточными складами — накопителями заготовок,
1 В условиях единичного производства взаимозаменяемость обычно ограничивается изготовлением резьбовых деталей, обработкой посадочных поверхностей для подшипников качения, обработкой цилиндрических поверхностей и некоторыми специальными случаями.
23
снабженными автоматическими перегружателями (роботами* манипуляторами); последние обеспечивают смену заготовок на отдельных рабочих местах и пунктах контроля. Используются вы* сокопроизводительные многошпиндельные автоматы и полуавтоматы, сложные станки с ЧПУ и обрабатывающие центры. Широко применяются автоматические линии и автоматизированные производственные системы, управляемые ЭВМ.
Значительное применение находит высокопроизводительная технологическая оснастка, инструменты из синтетических сверхтвердых материалов и алмазов и фасонные инструменты всех видов.
Широко используются точные индивидуальные исходные заготовки с минимальными припусками на механическую обработку (литье под давлением и точное литье, горячая объемная штамповка и прессовка, калибровка и чеканка и т. п.).
Требуемая точность достигается методами автоматического получения размеров на настроенных станках при обеспечении взаимозаменяемости обрабатываемых заготовок и собираемых узлов. Только в отдельных случаях применяется Селективная сборка, обеспечивающая групповую взаимозаменяемость.
Средняя квалификация рабочих в современном массовом производстве ниже, чем в единичном. На настроенных станках и автоматах работают рабочие-операторы сравнительно низкой квалификации. Одновременно в цехах работают высококвалифицированные наладчики станков, специалисты по электронной технике и пневмогидроавтоматике.
Дальнейшее развитие автоматизации приводит к уменьшению общего числа рабочих за счет сокращения малоквалифицированных специалистов, и в перспективе полностью автоматизированные производства будут обслуживаться минимальным числом высококвалифицированных специалистов-наладчиков сложного оборудования.
Технологическая документация массового производства разрабатывается самым детальным образом, технические нормы тщательно рассчитываются и подвергаются экспериментальной проверке.
Серийное производство характеризуется ограниченной номенклатурой изделий, изготовляемых или ремонтируемых периодически повторяющимися партиями х, и сравнительно большим объемом выпуска.
В зависимости от количества изделий в партии или серии 1 2 и значения коэффициента закрепления операций различают мелкосерийное, среднесерийное и крупносерийное производство.
Коэффициент закрепления операций определяется отношением числа всех различных технологических операций, выполненных или подлежащих выполнению, в течение месяца, к числу рабочих
1 Производственная партия — это группа заготовок одного наименования и типоразмера, запускаемых в обработку одновременно или непрерывно в течение определенного интервала времени.
2 Объем серии — это общее количество изделий определенных наименования, типоразмера и исполнения, изготовляемых или ремонтируемых по неизменяемой конструкторской документации.
24
ест. В соответствии с ГОСТ 3.1108—74 коэффициент закрепления операций составляет: для мелкосерийного производства — свыше 20 ’ 40 включительно; для среднесерийного — свыше 10 до 20 включительно; для крупносерийного — свыше 1 до 10 включительно.
Серийное производство является основным типом современного машиностроительного производства, и предприятиями этого типа выпускается в настоящее время 75—80 % всей продукции машиностроения страны. По всем технологическим и производственным характеристикам серийное производство занимает промежуточное положение между единичным и массовым производством.
Объем выпуска предприятий серийного типа колеблется от десятков и сотен до тысяч регулярно повторяющихся изделий. Используется универсальное и специализированное и частично специальное оборудование. Широко используются станки с ЧПУ, обрабатывающие центры и находят применение гибкие автоматизированные системы станков с ЧПУ, связанных транспортирующими устройствами и управляемых от ЭВМ. Оборудование расставляется по технологическим группам с учетом направления основных грузопотоков цеха по предметно-замкнутым участкам. Однако одновременно используются групповые поточные линии и переменно-поточные автоматические линии. Технологическая оснастка в основном универсальная, однако во многих случаях (особенно в крупносерийном производстве) создается высокопроизводительная специальная оснастка; при этом целесообразность ее создания должна быть предварительно обоснована технико-экономическим расчетом. Большое распространение имеет универсально-сборная, переналаживаемая технологическая оснастка, позволяющая существенно повысить коэффициент оснащенности серийного производства. В качестве исходных заготовок используется горячий и холодный прокат, литье в землю и под давлением, точное литье, поковки и точные штамповки и прессовки, целесообразность применения которых также обосновывается технико-экономическими расчетами. Требуемая точность достигается как методами автоматического получения размеров, так и методами пробных ходов и промеров с частичным применением разметки.
Средняя квалификация рабочих выше, чем в массовом производстве, но ниже, чем в единичном. Наряду с рабочими высокой квалификации, работающими на сложных универсальных станках, и наладчиками используются рабочие-операторы, работающие на настроенных станках.
В зависимости от объема выпуска и особенностей изделий обеспечивается полная взаимозаменяемость, неполная, групповая, взаимозаменяемость сборочных единиц, однако в ряде случаев на сборке применяется компенсация размеров и пригонка по месту.
Технологическая документация и техническое нормирование подробно разрабатываются для наиболее сложных и ответственных заготовок при одновременном применении упрощенной документации и опытно-статистического нормирования простейших заготовок.
25
В зависимости от размеров партий выпускаемых изделий характер технологических процессов серийного производства может изменяться в широких пределах, приближаясь к процессам массового (в крупносерийном) или единичного (в мелкосерийном) типа производства. Правильное определение характера проектируемого технологического процесса и степени его технической оснащенности, наиболее рациональных для данных условий конкретного серийного производства, является очень сложной задачей, требующей от технолога понимания реальной производственной обстановки, ближайших перспектив развития предприятия и умения проводить серьезные технико-экономические расчеты и анализы.
Глава 2
ПОГРЕШНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ И МЕТОДЫ ИХ РАСЧЕТА
$ 2<7
ТОЧНОСТЬ В МАШИНОСТРОЕНИИ И МЕТОДЫ ЕЕ ДОСТИЖЕНИЯ
Точность большинства изделий машиностроения и приборостроения является важнейшей характеристикой их качества. Современные мощные и высокоскоростные машины не могут функционировать при недостаточной точности их изготовления в связи с возникновением дополнительных динамических нагрузок и вибраций, нарушающих нормальную работу машин и вызывающих их разрушение.
Повышение точности изготовления деталей и сборки узлов увеличивает долговечость и надежность эксплуатации механизмов и машин. Этим объясняется непрерывное ужесточение требований к точности изготовления деталей и машин в целом. Если недавно в машиностроении считались точными детали, изготовленные в пределах допусков в несколько сотых долей миллиметра, то в настоящее время для некоторых точных изделий требуются детали с допусками в несколько микрометров или даже десятых долей микрометра. Например, при изготовлении плунжерных пар допуск зазора в соединении составляет 2—3 мкм, что требует от каждой из сопряженных деталей точности, характеризуемой допуском в 1—2 мкм. В сопряжении ответственных деталей теодолитов допускается колебание зазора от 0,6 до 1,0 мкм. При повышении точности деталей шарикоподшипника и уменьшении его зазора от 20 до 10 мкм срок его службы увеличивается с 740 до 1200 ч.
Важное значение имеет повышение точности и для процесса производства изделий. Повышение точности исходных заготовок снижает трудоемкость механической обработки, уменьшает размеры
26
припусков на обработку деталей и приводит к экономии металла. Получение точных и однородных заготовок на всех операциях технологического процесса является одним из непременных условий автоматизации обработки и сборки.
Повышение точности механической обработки устраняет пригоночные работы на сборке, позволяет осуществить принцип взаимозаменяемости деталей и узлов и ввести поточную сборку, что не только сокращает трудоемкость последней, но также облегчает и удешевляет проведение ремонта машин в условиях их эксплуатации.
При решении проблемы точности в машиностроении технолог должен обеспечить: требуемую конструктором точность изготовления деталей и сборки машины при одновременном достижении высокой производительности и экономичности их изготовления; необходимые средства измерения и контроля фактической точности обработки и сборки; установку допусков технологических межолерационных размеров и размеров исходных заготовок и их выполнение в ходе технологического процесса. Кроме того, технолог должен исследовать фактическую точность установленных технологических процессов и проанализировать причины возникновения погрешностей обработки и сборки.
Под точностью детали понимается ее соответствие требованиям чертежа: по размерам, геометрической форме, правильности взаимного расположения обрабатываемых поверхностей и по степени их шероховат ости.
Заданную точность обработки заготовки можно достигнуть одним из двух принципиально отличных методов: пробных ходов и промеров, а также методом автоматического получения размеров на настроенных станках.
Метод пробных, ходов и промеров. Сущность метода заключается в том, что к обрабатываемой поверхности заготовки, установленной на станке, подводят режущий инструмент и с короткого участка заготовки снимают пробную стружку. После этого станок останавливают, делают пробный замер полученного размера, определяют величину его отклонения от чертежного и вносят поправку в положение инструмента, которую отсчитывают по делениям лимба станка. Затем вновь производят пробную обработку («ход») участка заготовки, новый пробный замер полученного размера и при необходимости вносят новую поправку в положение инструмента. Таким образом, путем пробных ходов и промеров устанавливают правильное положение инструмента относительно заготовки, при котором обеспечивается требуемый размер. После этого выполняют обработку заготовки по всей ее длине. При обработке следующей заготовки всю процедуру установки инструмента пробными ходами и промерами повторяют.
В методе пробных ходов и промеров часто применяют разметку. В этом случае на поверхность исходной заготовки специальными инструментами (чертилками, штангенрейсмусом и др.) наносят тонкие линии, показывающие контур будущей детали, положение
27
центров будущих отверстий или контуры выемок и окон. При последующей обработке рабочий стремится совместить траекторию перемещения режущего лезвия инструмента с линией разметки заготовки и обеспечить тем самым требуемую форму обрабатываемой поверхности.
Метод пробных ходов и промеров имеет следующие достоинства: на неточном оборудовании позволяет получить высокую точность обработки; рабочий высокой квалификации путем пробных промеров и ходов может определить и устранить погрешность заготовки, возникшую при ее обработке на неточном станке;
при обработке партии мелких заготовок исключает влияние износа режущего инструмента на точность выдерживаемых при обработке размеров; при пробных промерах и ходах определяют и вносят необходимую поправку в положение инструмента, требуемую в связи с износом последнего;
при неточной заготовке позволяет правильно распределить припуск и предотвратить появление брака; из маломерной заготовки при разметке часто удается выкроить контур обрабатываемой заготовки и получить годное изделие;
освобождает рабочего от необходимости изготовления сложных и дорогостоящих приспособлений типа кондукторов, поворотных и делительных приспособлений и др; положение центров отверстий и взаимное расположение обрабатываемых поверхностей предопределяется разметкой.
Вместе с тем метод пробных ходов и промеров имеет ряд серьезных недостатков:
зависимость достигаемой точности обработки от минимальной толщины снимаемой стружки; при токарной обработке доведенными резцами эта толщина не меньше 0,005 мм, а при точении обычно заточенными резцами она составляет 0,02 мм (при некотором затуплении резца даже 0,05 мм); очевидно, что при работе пробными ходами рабочий не может внести в размер заготовки поправку менее толщины снимаемой стружки, а следовательно, и гарантировать получение размера с погрешностью, меньшей этой толщины;
появление брака по вине рабочего, от внимания которого в значительной степени зависит достигаемая точность обработки;
низкую производительность обработки из-за больших затрат времени на пробные ходы, промеры и разметку;
высокую себестоимость обработки детали вследствие низкой производительности обработки в сочетании с высокой квалификацией рабочего, требующей повышенной оплаты труда.
В связи с перечисленными недостатками метод пробных промеров и ходов используется, как правило, при единичном или мелкосерийном производстве изделий, в опытном производстве, а также в ремонтных и инструментальных цехах. Особенно часто этот метод применяется в тяжелом машиностроении. При серийном производстве этот метод находит применение для получения годных деталей из неполноценных исходных заготовок («спасение» брака по литью и штамповке).
28
В условиях крупносерийного и массового производства метод ппобных ходов и промеров используется главным образом при шлифовании, так как позволяет без труда компенсировать износ абразивных инструментов, часто протекающий неравномерно и вызывающий потерю точности обработки. При повышении качества абразивов и достижении их однородности, а также при создании систем автоматической компенсации износа кругов метод пробных ходов и промеров должен быть вытеснен также и из шлифовальных операций.
Метод автоматического получения размеров на настроенных станках. Этот метод в значительной мере свободен от недостатков,
Рис. 2.1
Обработка заготовок по методу автоматического получения размеров
При обработке заготовок по методу автоматического получения размеров станок предварительно настраивается таким образом, чтобы требуемая от заготовок точность достигалась автоматически, т. е. почти независимо от квалификации и внимания рабочего.
При фрезеровании заготовки 2 на размеры а и b (рис. 2.1, а) стол фрезерного станка предварительно устанавливают по высоте таким образом, чтобы опорная поверхность неподвижной губки 1 тисков отстояла от оси вращения фрезы на расстоянии К — Оф11/2 + + а. При этом боковую поверхность фрезы 3 удаляют (поперечным перемещением стола) от вертикальной поверхности неподвижной губки на расстояние Ь. Эту предварительную настройку станка производят по методу пробных ходов и промеров. После такой настройки выполняют обработку всей партии заготовок без их промежуточных промеров (исключая выборочные контрольные промеры) и без дополнительных перемещений стола станка в поперечном и вертикальном направлениях. Так как в процессе обработки размеры Д и b остаются неизменными, то и точность размеров а и b обрабатываемой заготовки сохраняется одинаковой для всех заготовок, обработанных с данной настройкой станка.
29
Равным образом при подрезке торца заготовки 2 (рис. 2.1, б) размер а заготовки определяется расстоянием с от торца зажимного приспособления 1 до поверхности упора 4, ограничивающего перемещение подрезного резца 3, а также расстоянием b от поверхности упора 4 до вершины режущего лезвия резца. При -постоянстве этих размеров, устанавливаемых в процессе предварительной настройки станка, точность размера а обрабатываемой заготовки сохраняется неизменной.
Следовательно, при использовании метода автоматического получения размеров на настроенных станках задача обеспечения требуемой точности обработки переносится с рабочего-оператора на настройщика, выполняющего предварительную настройку станка; на инструментальщика, изготовляющего специальные приспособления, и на технолога, назначающего технологические базы и размеры заготовки, а также определяющего метод ее установки и крепления и конструкцию необходимого приспособления.
К преимуществам метода автоматического получения размеров относятся:
повышение точности обработки и снижение брака; точность обработки не зависит от минимально возможной толщины снимаемой стружки (так как припуск на обработку на настроенном станке устанавливают заведомо больше этой величины) и от квалификации и внимательности рабочего;
рост производительности обработки за счет устранения потерь времени на предварительную разметку заготовки и осуществление пробных ходов и промеров; кроме того, специалист, работающий на настроенном станке по упорам, а не по пробным промерам, проводит работу более уверенно и спокойно; в процессе обработки возникает определенный ритм целесообразных и продуманных движений, дающих наименьшую утомляемость и высокую производительность;
рациональное использование рабочих высокой квалификации; работу на настроенных станках могут производить ученики и малоквалифицированные рабочие-операторы, а в дальнейшем с ростом автоматизации производственных процессов она будет полностью возложена на станки-автоматы и промышленные роботы; высококвалифицированные рабочие выполняют настройку станков и обслуживают одновременно по 8—12 станков;
повышение экономичности производства; высокая производительность труда, снижение брака, уменьшение потребности в высококвалифицированной рабочей силе способствуют снижению производственных затрат и общему повышению экономичности производства.
Преимущества метода автоматического получения размеров на настроенных станках предопределяют его широкое распространение в условиях современного серийного и массового производства.
Использование этого метода в условиях мелкосерийного производства ограничивается некоторыми экономическими соображениями: потери времени на предварительную настройку станков могут 80
превзойти выигрыш времени от автоматического получения размеров; затраты на изготовление однородных и точных исходных заготовок, требуемых для работы на настроенных станках, могут не окупиться при малых количествах выпускаемой продукции; тщательная технологическая подготовка производства с подробной разработкой технологических процессов и схем настройки станков неосуществима в условиях мелкосерийного и многономенклатурного производства.
Каждый из рассмотренных методов достижения заданной точности неизбежно сопровождается погрешностями обработки, вызываемыми различными причинами систематического и случайного характера. Соответственно погрешности, возникающие вследствие этих причин, подразделяются на систематические и случайные.
$ 2-2
СИСТЕМАТИЧЕСКИЕ ПОГРЕШНОСТИ ОБРАБОТКИ
Систематическая погрешность — это такая погрешность, которая для всех заготовок рассматриваемой партии остается постоянной или же закономерно изменяется при переходе от каждой обрабатываемой заготовки к следующей.
В первом случае погрешность принято называть постоянней систематической погрешностью (часто именуемой для краткости систематической погрешностью Дсист, а во втором случае — переменной систематической (или функциональной) погрешностью Дл. с.
Причинами возникновения систематических и переменных систематических погрешностей обработки заготовок являются: неточность, износ и деформация станков, приспособлений и инструментов; деформация обрабатываемых заготовок; тепловые явления, происходящие в технологической системе и в смазочно-охлаждающей жидкости, а также погрешности теоретической схемы обработки заготовки.
ПОГРЕШНОСТИ, ВОЗНИКАЮЩИЕ ВСЛЕДСТВИЕ НЕТОЧНОСТИ, ИЗНОСА И ДЕФОРМАЦИИ СТАНКОВ
Погрешности изготовления и сборки станков ограничиваются нормами ГОСТов, определяющими допуски и методы проверки геометрической точности станков, т. е. точности станков в нвнагруженвдгм состоянии.
Ниже приведены некоторые характеристики геометрической точности (в миллиметрах) станков общего назначения средних размеров.
Радиальное биение шпинделей токарных и фрезерных станков (на конце шпинделя)..........0,01—0,015
Биение конического отверстия в- шпинделе: токарного и фрезерного станков иа длине оправки 300 мм............................... 0,02
вертикально-сверлильных станков на длине оправки 100—300 мм ......................0,03—0,05
1орцовое (осевое) биение шпинделей..........0,01—0,02
31
Прямолинейность ji параллельность направляющих токарных и продольно-строгальных станков:
на длине 1000 мм....................... 0,02
на всей длине............................0,05—0,08
Прямолинейность продольных направляющих и
столов фрезерных станков на длине 1000 мм . . 0,03—0,04 Параллельность осей шпинделей токарных станков направлению движения кареток:
в вертикальной плоскости на длине 300 мм	0,02—0,03
в горизонтальной плоскости на длине оправ-
ки 300 мм ...............................0,01—0,015
Перпендикулярность осей шпинделей вертикальносверлильных станков относительно плоскости столов на длине 300 мм . -......................0,06—0,10
Приведенные ориентировочные данные относятся к станкам нормальной точности (станки группы Н), предназначенным для обработки заготовок средних размеров в пределах допусков 7— 9-го квалитетов точности СЭВ. Характеристики геометрической точности, т. е. геометрические погрешности станков более высоких точностных групп, значительно уменьшаются, а трудоемкость их изготовления резко возрастает и по отношению к характеристикам станков нормальной точности составляют в процентах к погрешностям и трудоемкости изготовления станков нормальной точности следующие соотношения:
Станки нормальной точности	Погрешность	Трудоемкость
(группа Н)		100	100
Станки повышенной точности (группа П)		60	140
Станки высокой точности (группа В) 		40	200
Станки особо высокой точности (группа А) 		25	280
Станки особо точные (группа С)	16	450
Погрешности геометрической точности станков полностью или частично переносятся на обрабатываемые заготовки в виде систематических погрешностей. Величина этих систематических погрешностей поддается предварительному анализу и расчету. Например, при непараллельное™ оси шпинделя токарного станка направлению движения суппорта в горизонтальной плоскости цилиндрическая поверхность обрабатываемой заготовки, закрепленной в патроне станка, превращается в коническую. При этом изменение радиуса г заготовки равно линейному отклонению а оси от параллельности по отношению к направляющим на длине заготовки, т. е. гшах «= — г -|- й.
При непараллельное™ оси шпинделя относительно направляющих в вертикальной плоскости обрабатываемая поверхность приобретает форму гиперболоида вращения, наибольший радиус которого rmax = 7/г2 + Ь2, где b —линейное отклонение оси шпинделя от параллельности по отношению к направляющим в вертикальной плоскости на длине L обрабатываемой заготовки.
32
Неперпендикулярность оси шпинделя вертикально-фрезерного станка относительно плоскости его стола в поперечном направлении вызывает непараллельность обработанной плоскости по отношению к установочной, численно равную линейному отклонению от перпендикулярности на ширине заготовки.
При неперпендикулярности оси шпинделя вертикально-фрезерного станка по отношению к плоскости его стола в продольном направлении возникает вогнутость обработанной поверхности, зависящая от угла наклона шпинделя, диаметра фрезы и ширины обрабатываемой поверхности. Вогнутость можно подсчитать аналитически или определить экспериментально.
Рис. 2.2
Влияние биення переднего центра на точность обработки: а — погрешность при обтачивании за Одни уставов; б — погрешность при обтачивании с перевертыванием заготовки
Биение шпинделей токарных и круглошлифовальных станков, вызываемое овальностью подшипников и опорных шеек шпинделей, искажает форму обрабатываемой заготовки в поперечном сечении. Овальность шеек шпинделей в этом случае переносится на заготовку, так как при ее обработке шейки шпинделей все время прижимаются к определенным участкам поверхностей подшипников.
Биение передних центров токарных и круглошлифовальных станков при правильном положении оси шпинделя вызывает перекос оси обрабатываемой поверхности при сохранении правильной окружности в поперечном сечении заготовки.
Причинами биения переднего центра в этом случае могут быть: биение оси конического отверстия шпинделя; биение оси переднего центра по отношению к оси его хвостовика; неточность посадки переднего центра в коническом отверстии шпинделя.
На рис. 2.2, а показано, что при биении переднего центра центровая линия в процессе обработки описывает конус с вершиной у заднего центра. Основание этого конуса равно биению переднего центра, а осью конуса является ось вращения шпинделя станка. В результате обтачивания в поперечном сечении заготовки (сечение А—А) получается правильная окружность заданного радиуса (так как вращение заготовки происходит вокруг правильно расположенной) и постоянной оси вращения 00 шпинделя), но след центровой линии, соединяющей центровые отверстия заготовки, оказывается смещенным от центра сечения на расстояние Е. После обработки заготовка приобретает форму цилиндра, ось которого наклонена по отношению к линии центровых отверстий на угол а. При этом sin а = EIL,
2 Маталин А. А.	33
отверстия, выходящие за пределы допуска, должны иметь диаметр меньше номинального, для чего при настройке станка кривую рас-пределения размеров отверстий следует сместить на величину щ влево по отношению к середине поля допуска (рис. 2.24, б).
Чтобы полностью исключить возможность появления неисправимого брака, размер смещения т вершины кривой распределения увеличивают на величину погрешности Дн настройки. При этом, однако, общее количество заготовок, требующих дополнительной обработки, заметно возрастает.
Количество заготовок, требующих доделки (на рис. 2.24 заштрихованная площадь), определяют аналогично предыдущему по значениям хв (для валов) и хА (для отверстий). Согласно рис. 2.24.
хА = хв = Т — За — А„.	(2.59)
По величине хА (хв) и формуле (2.49) находят tA (tB) и по таблице Приложения 1 рассчитывают соответствующие значения Ф(/л) или Ф((в), определяющие размеры площадей А и В.
Количество заготовок Сдод в процентах, требующих доделки, определяется по формуле
Сдод = Ю,5 — Ф (/) ]  100.	(2.60)
Пример 2.7. Определить количество заготовок, требующих дополнительной обработки при Т = 0,1 мм, о = 0,025 мм и Дн — 0,02 мм.
Решение. По формуле (2.59) хв = 0,1 — 3-0,025 — 0,02 = 0,005. В соответствии с формулой (2.49) tB =	= °>2- Следовательно, Ф (tB) — 0,0793
(см. Приложение 1). Количество заготовок, требующих дополнительной обработки, по формуле (2.60)
<2дод = (0,5 — 0,0793) 100 = 42,07 %, или 127 шт.
Определение экономической целесообразности применения высокопроизводительных станков пониженной точности. Стремление производственников повысить эффективность обработки путем применения более производительных станков во многих случаях ограничивается недостаточной точностью последних и значительной величиной мгновенного рассеяния размеров, связанного с видом обработки и типоразмером применяемого станка.
Например, если при обработке заготовок диаметром D = 10ч--4-18 мм на круглошлифовальных станках поле мгновенного рассеяния сом = 0,09 мм, то при обработке на токарных станках оно возрастает до сом = 0,015 мм, на револьверных — до сом == 0,025 мм.
При обработке на автоматах и полуавтоматах значение сом в несколько раз больше, чем при токарной обработке.
Ранее указывалось, что при значительном рассеянии размеров, когда 6а > Т, брак является практически неизбежным. Это заставляет технологов во многих случаях отказываться от применения высокопроизводительных станков. Однако анализ особенностей формы кривой Гаусса показывает, что даже при значительном выходе ее ветвей за пределы поля допуска количество бракованных заготовок, 72
„растеризуемое площадью заштрихованных участков (см. рис. 2.21), равнительно невелико, особенно при симметричном расположении ерщины кривой распределения по отношению к середине поля до-пуска. В рассмотренном выше примере 2.2 было показано, что при обработке валиков с допуском Т = 0,10 мм при а = 0,025 мм и g0 = 0,15 мм, т. е. в случае, когда поле рассеяния в 1,5 раза превосходит поле допуска и запас точности ip = -gg- = -gjg- = 0,67 < 1,0, количество бракованных заготовок составляет всего 4,56 %.
Следовательно, в ряде случаев возможно и целесообразно использовать для обработки точных заготовок высокопроизводительные станки даже тогда, когда их точность по расчетам является недостаточной. При этом ценой сравнительно малых затрат на неизбежный брак заготовок можно добиться значительного повышения выпуска изделий и снижения их себестоимости.
При расчете экономической целесообразности обработки заготовок на более производительном оборудовании с заведомым допущением некоторого количества брака заготовок определяют: количество ожидаемого брака или число заготовок, требующих дополнительной обработки; убытки от брака (вследствие непроизводительного расхода металла и потерь времени на предыдущую обработку и обработку бракованных заготовок на данной операции) или стоимость дополнительной обработки заготовок, размеры которых выходят за пределы допуска; снижение себестоимости и соответствующую экономию при обработке заготовок на более производительном оборудовании.
Сопоставление убытков от брака или стоимости дополнительной обработки заготовок с экономией от перевода обработки на более производительные станки позволяет выявить экономическую целесообразность применения высокопроизводительных станков пониженной точности при производстве точных заготовок.
Простота определения характеристик рассеяния и построения кривых распределения, по данным замеров обычных производственных заготовок в нормальных условиях работы цеха, дает возможность с помощью изложенной методики производить сравнение точности обработки па различных станках, оценивать качество ремонта станков (путем сопоставления кривых рассеяния размеров заготовок, обработанных до и после ремонта станков), сопоставлять точность обработки одних и тех же заготовок в дневные и ночные смены и т. п.
К особым преимуществам изложенной методики изучения характеристик рассеяния относится возможность проведения разнообразных исследований точности и устойчивости технологических процессов в реальных производственных условиях без остановки нормального производственного процесса и без изготовления специальных экспериментальных образцов.
Применение математических законов распределения для анализа Рассеяния размеров обрабатываемых заготовок позволяет изучить причины возникновения случайных погрешностей и уменьшить или Устранить их влияние на точность обработки.
73
где L —длина заготовки; Е — эксцентриситет переднего центра.
В частном случае при обточке за две установки (с перевертыванием для перестановки поводкового хомутика) обработанная заготовка получается двуосной с наибольшим углом пересечения осей, равным 2а (рис. 2.2, б).
Биение оси конуса отверстия шпинделя вертикально-сверлильного станка по отношению к оси вращения шпинделя вызывает возрастание диаметра просверливаемого отверсти в связи с его «разбивкой».
Износ станков обусловливает увеличение систематических погрешностей обрабатываемых заготовок. Это связано в первую очередь с тем, что износ рабочих поверхностей станков происходит неравномерно; это обстоятельство приводит к изменению взаимного расположения отдельных узлов станков, вызывающему возникновение дополнительных погрешностей обрабатываемых заготовок.
Одной из важных причин потери точности станков является износ их направляющих. За год эксплуатации токарных станков при двухсменной работе в условиях единичного и серийного производства 1 при среднем диаметре обрабатываемых заготовок 100 мм и их длине 150—200 мм износ U (мм) передней от рабочего грани несимметричной треугольной направляющей в среднем составил:
При чистовой обработке........................0,04—0,05
При частично чистовой и частично обдирочной
обработке стали (80 %) и чугуна (20 %) .... 0,06—0,08
При обдирке стали (90 %) и чугуна (10 %) . . . 0,10—0,12
Износ второй (плоской) направляющей при этом оказался в пять раз меньше. Износ направляющих по длине также не является равномерным. У обследованных станков участок наибольшего износа направляющих находился на расстоянии 400 мм от торца шпинделя.
Неравномерный износ передней и задней направляющих вызывает наклон суппорта и смещение вершины резца в горизонтальной плоскости, непосредственно увеличивающее радиус обрабатываемой поверхности. Неравномерность износа направляющих по их длине приводит к появлению систематической погрешности формы обрабатываемых заготовок.
Деформации станков при их неправильном монтаже, а также под действием массы при оседании фундаментов (искривление станин и столов, извернутость направляющих) вызывают дополнительные систематические погрешности обработки заготовок.
Оседание фундаментов продольно-строгальных и продольно-фрезерных станков приводит к возникновению отклонений от прямолинейности направляющих станин длиной 8—11 м, достигающих 3—4 мм (как указывалось выше, по существующим нормам для новых станков отклонение от прямолинейности направляющих станков на всей их длине не должно превышать 0,08 мм). Искрпвле-
1 В условиях массового производства износ втрое больше.
34
е направляющих станины передается обрабатываемой заготовке, рызывая непрямолинейность и неплоскостность обработанной поверхности.
ПОГРЕШНОСТИ, СВЯЗАННЫЕ С НЕТОЧНОСТЬЮ И ИЗНОСОМ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА
Рис. 2.3
Зависимость износа инструмента U от длины пути резания
Неточность режущего инструмента (особенно мерного инструмента типа разверток, зенкеров, протяжек, концевых пазовых фрез и фасонного инструмента) во многих случаях непосредственно переносится на обрабатываемые заготовки, обусловливая появление систематических погрешностей формы и размеров обрабатываемых поверхностей. Однако в связи с тем, что точность изготовления режущего инструмента на специальных инструментальных заводах или в инструментальных цехах машиностроительных заводов обычно достаточно высока, неточность изготовления инструментов практически мало отражается на точности изготовления деталей. Значительно большее влияние на точность обработки заготовок оказывают погрешности режущего инструмента, связанные с его износом.
Износ режущего инструмента при работе на настроенных станках
по методу автоматического получения размеров приводит к возникновению переменной систематической погрешности обработки. При чистовой обработке заготовок износ резцов происходит по их задней поверхности, что вызывает отдаление вершины от центра вращения заготовки на величину радиального износа и соответствующее увеличение радиуса обточки (или уменьшение радиуса расточки).
В соответствии с общими закономерностями износа при трении скольжения в начальный период работы инструмента, называемый периодом начального износа (участок I на рис. 2.3), износ наиболее интенсивен. В период начального износа происходит приработка режущего лезвия инструмента, сопровождающаяся выкрашиванием отдельных неровностей и заглаживанием штрихов — следов заточки режущих граней. В этот период шероховатость обработанной поверхности обычно постепенно уменьшается. Начальный износ (7Ц и его продолжительность Ln (т. е. продолжительность приработки инструмента) зависят от материалов режущего инструмента и изделия, качества заточки, а также от доводки инструмента и режимов резания. Обычно продолжительность начального износа, выраженная Длиной £н пути резания, находится в пределах 500—2000 м (первая цифра соответствует хорошо доведенным инструментам, вторая — заточенным инструментам).
Второй период износа (участок II) характеризуется нормальным износом инструмента, прямо пропорциональным пути резания. Интенсивность этого периода износа принято оценивать относительным (удельным) износом Uo (мкм/км), определяемым формулой Uo = U/L, где U — размерный износ в микрометрах на пути резания L; L — путь резания в зоне нормального износа в километрах.
Длина L пути резапия в период нормального износа при обработке стали резцами Т15К6 может достигать 50 км.
Третий период износа (участок III) соответствует наиболее интенсивному катастрофическому износу, сопровождающемуся значительным выкрашиванием и поломками инструмента, недопустимыми при нормальной эксплуатации инструмента.
Расчет износа режущего инструмента, влияющего на точность обработки, применительно к условиям нормального износа, протекающего в зоне II, обычно производят по формуле
и = и0Ы1Ш,	(2.1)
где U — размерный износ режущего инструмента, мкм; L — длина пути резания, м.
Применительно к точению длина пути резания
L = лО//(1000s),	(2.2)
где D —диаметр обрабатываемой заготовки, мм; I —длина обрабатываемой заготовки (длина обработки), мм; s — подача, мм/об.
При торцовом фрезеровании длину L пути резания можно приближенно определить по формулам:
L =___• £ =_______(9 3)
1000s0 ’	1000zs2 ’
где I —длина хода, мм; В —ширина фрезеруемой площадки, мм; s0 — подача фрезы, мм/об; г — число зубьев фрезы; sz — подача фрезы, мм/зуб.
Из последней формулы следует, что при увеличении z длина пути резания уменьшается и размерная стойкость, а следовательно, и точность обработки возрастают.
Установлено, что при фрезеровании износ режущего инструмента происходит интенсивнее, чем при точении, в связи с неблагоприятными условиями работы инструмента, многократно врезающегося в обрабатываемую заготовку. Относительный износ Uo^ инструмента при фрезеровании больше относительного износа £/0, определенного по формуле (2.1), применительно к условиям точения, т. е.
Пофр = (1 + 100/В) Uo.	(2.4)
Величина 100/В учитывает число врезаний зуба фрезы при фрезеровании заготовки шириной В.
Расчет по уравнениям (2.1—2.4) применим к условиям нормального износа инструмента (зона II на рис. 2.3). При определении износа нового или вновь заточенного инструмента расчет по указан-36
1М формулам дает заниженный результат вследствие того, что не Нцнтывается повышение интенсивности износа в период приработки инструмента на длине LH резания, увеличивающее суммарный износ на величину Uv
Для того чтобы, не усложняя расчетов, учесть начальный износ инструмента, принято расчетную длину L пути резания, определенную по формулам (2.2) и (2.3), увеличивать на некоторую дополнительную величину /.доп (рис. 2.3). В этом случае выражение (2.1) несколько преобразуется и получает вид
U= U0(L + £доп)/1000.	(2.5)
Для доведенных инструментов дополнительный путь резания £	= 500 м, для заточенных — /.д0П = 1500 м и в среднем Lno„ =
= °1000 М.
Относительный (удельный) износ U„ режущего инструмента в значительной мере зависит от материала режущего инструмента и режима резания, материала обрабатываемого изделия и жесткости технологической системы станок — приспособление — заготовка— инструмент.
При повышении жесткости технологической системы, способствующем уменьшению вибраций, износ режущего инструмента заметно снижается.
Относительный износ резцов при растачивании жаропрочных материалов в 1,5—6 раз больше относительного износа резцов при наружном обтачивании тех же материалов, что объясняется менее благоприятными условиями резания при обработке отверстий.
При увеличении подачи относительный износ несколько возрастает. Так, в процессе точения термообработанной стали 35ХМ резцами Т15К6 при увеличении подачи от 0,1 до 0,28 мм/об и при скорости резания 4,0 м/с (240 м/мин) относительный износ повысился с 15 до 18 мкм/км, т. е. на 20 %. Однако в связи с тем, что путь резания при этом уменьшается в 2,8 раза по формуле (2.2), общий износ уменьшился согласно формуле (2.1) на 57 %.
В связи с тем, что общий размерный износ инструмента обратно пропорционален подаче, в соответствии с формулами (2.1)—(2.3) в ряде случаев увеличение подачи повышает общую размерную стойкость инструмента и при достаточной жесткости технологической системы повышает точность обработки. Применение широких резцов и других инструментов с выглаживающими фасками, позволяющих повысить подачу, способствует росту точности обработки при одновременном повышении ее производительности.
Изменение глубины резания незначительно влияет на относительный износ инструмента.
Заметное влияние на относительный износ оказывает задний угол резца. С увеличением заднего угла с 8 до 15° относительный износ рез-
Т15К6 при точении термообработанной стали 35ХМ со скоростью аД м/с (140 м/мин) возрос с 13 до 17 мкм/км, т. е. на 30 % [60]. Это объясняется ослаблением режущей кромки и ухудшением условий отвода теплоты.
37
Таблица 2.1
Относительный износ Uj резцов и режимы чистового точения и растачивания с глубиной t = 0,14-0,3 мм при достижении шероховатости Rz = 10 мкм
Обрабатываемый материал и его структура	Материал и марка инструмента	Режимы резания			Стойкость по шероховатости, выраженная в метрах пути резания	Относительный износ	мкм/км
		Скорость резания V, м/мин	Подача s, мм/об			
Стали углеродистые конструкционные качественные	 Т30К4 Эльбор	100—180 550—600	0,04—0,08 0,04—0,06		12 500 25 000	6,5 3,0
Стали конструкционные легированные	Т30К4 Эльбор	12Г—180 450—500	0.04—0,08 0,04—0,06		20 000	4,7
Стали высоколегированные коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные	Т30К4 Эльбор	80—120 200—220		0 02—0,04	11 000 15 500	6,5 3,0
Стальное литье	Т30К4 Эльбор	100—160 200—230		0,04—0,06	7 000 12 500	8,5 7,0
Стали конструкционные	улучшенные (23—31,5 HRC3)	Т30К4 Эльбор	120—180 350—400	0,04—0,08 0,04—0,06		8 000 15 000	8,5 4,5
Стали конструкционные закаленные (41,5—46,5 HRC3)	Т30К4 Эльбор	70—150 300—350	0,02—0,05 0 02—0,04		7 000 21 000	10 5,0
Чугун серый СЧ 15-32 и СЧ 18-36 П + Ф + Г средний	вкзм ЦМ-332 Эльбор	100—160 220—300 300—350	0,04—0,08 0,03—0,06 0,04—0,06		21 000 22 000 30 000	6,0 3,5 2,5
Чугун серый СЧ 21-40 и СЧ 28-48 П + Ф + Г пластинчатый	вкзм ЦМ-332 Эльбор	120—160 300—350 500—550	0,04—0,08 0,03—0,06 0,04—0,06		23 000 22 000 40 000	6,5 4,3 3,0
Чугун ковкий КЧ 30-6 и КЧ 37-12 Ф + Г округлый	вкзм ЦМ-332 Эльбор	80—140 200—250 300—350	0,03—0,06 0,03—0,05 0,03—0,06		19 000 18 000 22 000	6,0 3,5 3,0
Чугуи ковкий КЧ 45-6 и КЧ 63-2 П + Ф + Г округлый	вкзм ЦМ-332 Эльбор	120—160 200—250 500—550	0,03—0,06 0,03—0,05 0,03—0,06		17 000 15 000 24 000	8,0 5,5 4,0
38
Продолжение табл. 21
Обр абатываемый материал и его структура	Материал и марка инструмента	Режимы резания		Стойкость по шероховатости, выраженная в метрах пути резания	Относительный износ UQ, мкм/км
		Скорость резания V, м/мин	Подача я, мм/об		
Чугуны модифицированные СМ	вкзм	120—160	0,04—0,08	18 000	5,0
	ПЛ-332	300—350	0,03—0,06	.эоос	3,5
	Эльбор	300—350	0 04—0 06	20 000	3,0
Чугуны высокопрочные ВЧ	вкзм	120—160	0.'’4—0,08	21 000	7,0
	ЦМ-332	3U0—350	0,03—0,06	24 000	4,5
	Этьбор	500—550	0,04—0 06	35 0€0	3,5
Примечание. Обозначение структурных составляющих чугуна: Ф — феррит; П — перлит; Г — графит.					
Приведенные в тгбл. 2.1 значения относительного износа резцов при чистовом точении и растачивании могут быть приняты как основа расчетов погрешностей обработки, связанных с размерным износом инструмента.
Пример 2.1. Обтачивается вал из конструкционной стали с размера,, и: 0 200X 3000 мм. Режим резания: V= 100 м/мин, t= 0,5 мм; s= 0,05 мм/сб; резец Т30К4. Определив конусность вала, связанную с износим резца. Согласно табл. 2.1 Uo = 6,5 мкм/км.
Решение. Длина пути резания в метрах согласно формуле (2.2)
П-200-3000
L=- 1000-0,05 ' ~37 680~
Износ резца согласно формуле (2.5) U = 0,0065 - '——	— 0,251 мм.
Конус (разность диаметров на концах вала) К = 2U = 2-0,251 = 0,502 мм.
Для уменьшения конусности принимается резец из эльбора, для которого по табл. 2.1 UQ = 3,0 мкм/км. В этом случае износ U = 0,003	=
=0,116 мм. Конус К — 2U = 0,232 мм.
Еще большее уменьшение конусности обрабатываемого вала может быть до-стигнугс за счет увеличения подачи при обтачивании в случае применения резца Ат. Колесова, позволяющего использование подачи s = 3,0 мм/об.
В этом случае при работе резцом Т30К4 длина пути резания значительно со-вращается, т. е.
,	л-200-3000	-_о
L== 'iodo-з.о = 628 м-
Износ U = 0,0065 628^Q000  = 0,0106 мм. Конус К = 2U = 0.021 мм.
39
Приведенные расчеты показывают, что погрешность размеров и формы обрабатываемых заготовок может быть существенно понижена путем рационального назначения материала и конструкции режущего инструмента и соответствующих режимов резания.
ВЛИЯНИЕ УСИЛИЯ ЗАЖИМА ЗАГОТОВКИ НА ПОГРЕШНОСТЬ ОБРАБОТКИ
Усилия зажима (закрепления) заготовок в приспособлениях, так же как и усилия резания, вызывают упругие деформации заготовок, порождающие погрешности формы обработанных заготовок. При постоянстве размеров заготовок и усилий зажима вызываемые ими погрешности формы деталей являются систематическими и могут быть вычислены по соответствующим формулам.
При закреплении втулки в патроне происходит ее упругая деформация (рис. 2.4, а, б), причем в местах А приложения кулачков радиус заготовки уменьшается, а в точках В увеличивается.
Рис. 2.4
Схема возникновения погрешности формы отверстия тонкостенной втулки: а — упругая деформация втулки ирн закреплении в трехкулачковом патроне; б — форма отверстия после расточки; в — форма отверстия после раскрепления втулки
Погрешность геометрической формы обрабатываемого отверстия втулки определяется разностью наибольшего и наименьшего радиусов (рис. 2.4, в).
Погрешность А формы отверстия втулки при ее закреплении в трехкулачковом патроне весьма велика. Например, для втулки 80X70X20 мм при величине усилия зажима на рукоятке ключа Q = 147 Н (0=15 кгс) погрешность формы отверстия достигает 0,08 мм.
Погрешность формы обрабатываемой заготовки, связанная с ее упругой деформацией при закреплении в кулачковых патронах, зависит от числа кулачков. По расчетам проф. В. С. Корсакова при увеличении числа зажимных кулачков погрешность геометрической формы втулки ваметно уменьшается. Например, если погрешность геометрической формы тонкостенной втулки после обработки с зажимом в двух кулачках принять за 100 %, то при зажиме в трех кулачках она составит 21 %, в четырех кулачках —8 %, в шести кулачках — 2 %.
При форме кулачков, соответствующей форме заготовки, и наиболее полном прилегании зажимных поверхностей кулачков к поверхности заготовки погрешность геометрической формы втулки" также снижается.
Таким образом, па погрешности формы обрабатываемых заготовок большое влияние оказывают усилия их зажима в приспособле-40
ниях. Вместе с тем в определенных условиях существенными причинами возникновения погрешностей обрабатываемых заготовок могут явиться силы тяжести (деформации заготовок под действием собственной массы), центробежные силы (деформации неуравновешенных масс отдельных частей заготовок в момент их обработки) и остаточные напряжения заготовки. При одностороннем снятии припуска или снятии неравномерного припуска в обрабатываемой заготовке происходит перераспределение внутренних напряжений, образовавшихся в исходных заготовках при их литье, штамповке, термической обработке и других технологических операциях. Упругие деформации заготовок, вызываемые действием перечисленных сил, служат источником возникновения систематических погрешностей геометрической формы деталей.
ПОГРЕШНОСТИ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ УПРУГИМИ ДЕФОРМАЦИЯМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПОД ВЛИЯНИЕМ НАГРЕВА
При непрерывной работе станка происходит постепенное нагревание всех элементов технологической системы, вызывающее появление переменной систематической погрешности обработки заготовок.
Тепловые деформации станков. Основными причинами нагревания станков и их отдельных частей (шпиндельных бабок, столов, станин и др.) являются потери на трение в подвижных механизмах станков (подшипниках, зубчатых передачах), гидроприводах и электроустройствах, во встроенных электромоторах, а также теплопередача от охлаждающей жидкости, отводящей теплоту из зоны резания, и нагревание от внешних источников (местное нагревание от близко расположенных батарей, солнечных лучей, охлаждение через фундамент).
Важное влияние на точность обработки оказывает нагревание шпиндельных бабок. При работе станка происходят постепенное разогревание шпиндельных бабок и их смещение в вертикальном и горизонтальном (на рабочего) направлениях. При этом температура в различных точках корпуса бабки изменяется от 10 до 50 °C. Наибольшая температура нагрева наблюдается в местах расположения подшипников шпинделя и подшипников быстроходных валов, температура которых обычно на 30—40 % выше средней температуры корпусных деталей, в которых они смонтированы [10 J.
На рис. 2.5 показано горизонтальное смещение оси передней бабки токарного станка при работе в центрах. В первый период работы станка после его запуска нагревание вызывает смещение шпинделя на рабочего, что приводит к непрерывному изменению размеров и формы обрабатываемых заготовок (при обработке крупных валов), т. е. к появлению переменной систематической погрешности. Очевидно, что переменная систематическая погрешность равняется Удвоенному горизонтальному смещению оси передней бабки. Опыты показывают, что при обработке в патроне горизонтальное смещение больше, чем при работе в центрах, и достигает 17 мкм. С повышением
41
частоты вращения п смещение шпинделя увеличивается приблизительно пропорционально j/ п.
Продолжительность нагревания передней бабки, сопровождающегося смещением оси шпинделя, составляет 3—5 ч (после чего температура нагрева и положение оси стабилизируются).
При остановке станка происходят его медленное охлаждение и обратное перемещение оси шпинделя
Рис. 2.5
Горизонтальное смещение осн передней бабки токарного станка от его нагрева при работе в центрах (А. П. Соколовский)
Для устранения погрешности обработки, связанной с тепловыми деформациями станка, производят предварительный прогрев станка его обкаткой вхолостую в течение 2—3 ч. Последующую обработку заготовок следует проводить без значительных перерывов в работе станка.
Тепловые деформации инструмента. Некоторая часть теплоты, выделяющейся в зоне резания, переходит в режущий инструмент, вызывая его нагревание и изменение размеров. При токарной обработке наибольшая часть погрешности, связанной с тепловыми деформациями технологической системы, обусловлена удлинением резцов
РИС. 2.6
Влияние перерывов работы резца иа его тепловые деформации;
1 — охлаждение резца; 2 — нагревание резца прн непрерывной работе; 3 — работа в условиях резания с перерывами; А/Маш — удлинение резца за машинное время; А/Пер — уменьшение длины резца прн охлаждении за время перерыва (А. П. Соколовский)
при их нагревании. При точении легированной стали с ов = = 1080 МПа (ПО кге/мм2) резцами, снабженными пластинками Т15К.6, с вылетом 40 мм и сечением 20 x 30 мм тепловое равновесие, при котором прекращается удлинение резца, наступает примерно через 20—24 мин непрерывной работы (рис. 2.6). В процессе обработки мягкой стали тепловое равновесие резца устанавливается через 12 мин непрерывной работы при сохранении общего характера закономерностей, показанных на рис. 2.6.
42
Прн повышении скорости резания, глубины резания и подачи интенсифицируется нагревание, а следовательно, увеличивается удлинение резца. Большое влияние на удлинение оказывает вылет резца. Например, при уменьшении вылета резца с 40 до 20 мм удлинение сократилось с 28 до 18 мкм. Удлинение резца приблизительно обратно пропорционально площади поперечного сечения его стержня. С увеличением толщины пластинки твердого сплава удлинение резца уменьшается.
Нагревание и удлинение резцов прямо пропорционально твердости обрабатываемого материала. В обычных условиях работы без охлаждения удлинение резца может достигать 30—50 мкм [10]. При создании обильного охлаждения удлинение резцов уменьшается в 3—3,5 раза.
Удлинение Д/р (мкм) резца в условиях теплового равновесия можно приближенно подсчитать по формуле
Д/р = С^ав(^)°’751 V,	(2.6)
где С — постоянная (при У= 100ч-200 м/мин, t < 1,0 мм, s < < 0,2 мм — С — 4,5); /р — вылет резца, мм; F — поперечное сечение резца, мм2.
В первый период работы до наступления теплового равновесия удлинение резца сопровождается непрерывным изменением размеров обрабатываемых заготовок (при небольших габаритах заготовок) или формы поверхностей (прн больших размерах заготовок).
При обработке заготовок с перерывами машинного времени 7маш в момент прекращения резания начинаются охлаждение резца него укорочение, которые продолжаются до начала следующего периода резания.
Как показывают кривые (рис. 2.6), построенные проф. А. П. Соколовским, при обработке заготовок с перерывами машинного времени тепловые деформации резца, а следовательно, и температурные погрешности обработки заметно уменьшаются.
Общее удлинение Д'/р резца при ритмичной работе с перерывами машинного времени приближенно составляет:
Д'/р == Д/
7«аш
₽ 7маш + Тиер
(2.7)
где Тпер — продолжительность перерыва машинного времени.
При ритмичной работе тепловые деформации заготовок постоянны. При отсутствии ритмичности тепловые деформации отдельных заготовок различны, что приводит к рассеянию размеров заготовок.
Нагревание режущих инструментов, при фрезеровании, нарезании зуба и других операциях прерывистой механической обработки, выполняемых с охлаждением, оказывает заметно меньшее влияние на точность обработки, чем нагревание резцов.
43
Рнс. 2.7
Температурное поле обтачиваемой заготовки (а) и форма ее (б) после обработки (В. С. Корсаков)
Тепловые деформации заготовки. Некоторая часть теплоты, выделяющейся в зоне резания, переходит в обрабатываемое изделие, вызывая изменение его размеров и появление погрешности обработки. При равномерном нагревании изделия возникает погрешность размеров, а при местных нагревах отдельных участков обрабатываемых изделий — коробление, приводящее к образованию погрешности формы.
Нагревание обрабатываемого изделия зависит от режимов резания. При токарной обработке с увеличением скорости резания и подачи, т. е. с уменьшением продолжительности теплового воздействия на обрабатываемое изделие, его температура понижается.
Например, при повышении скорости резания с 30 до 150 м/мин, неизменной глубине резания (3 мм) и подаче 0,44 мм/об температура заготовки понизилась с 24 до 11 °C. При повышении подачи с 0,11 до 0,44 мм/об, неизменной скорости резания (140 м/мин) и глубине резания 3 мм наблюдалось падение температуры заготовки с 36 до 11 °C.
В случае увеличения глубины резания температура обрабатываемой заготовки возрастает. Так, при измене-температура заготовки повы-
силась с 4 *о11 °C, скорость резания (130 м/мин) и подача (0,2 мм/об) оставались при этом постоянными.
Нагревание обрабатываемых заготовок имеет существенное значение при изготовлении тонкостенных деталей. Во время обработки массивных заготовок влияние их нагревания на точность обработки невелико.
На рис. 2.7 показано, что температура обрабатываемого изделия по длине неравномерна и непрерывно изменяется; это обстоятельство значительно усложняет проведение расчетов погрешностей обработки. Вместе с тем эти погрешности могут достигать заметных величин, соизмеримых с допусками на обработку заготовок. Например, при обработке чугунной станины длиной 2000 мм и высотой 600 мм нагревание ее с одной стороны (со стороны обработки) всего на 2,4 °C вызвало прогиб по всей длине, равный 0,02 мм. Соответственно этому погрешность обработки станины по ее непрямолинейности составила 0,01 мм на 1 м длины.
Применение обильного охлаждения значительно уменьшает опасность нагревания заготовок и сокращает погрешность их обработки.
нии глубины резания с 0,75 до 4 мм
44
ПОГРЕШНОСТИ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ОБРАБОТКИ
При обработке некоторых сложных профилей фасонных деталей сама схема обработки предполагает определенные допущения и приближенные решения кинематических задач и упрощения конструкции режущих инструментов, вызывающие появление систематических погрешностей обработки (обычно систематических погрешностей формы).
Например, при нарезании зубчатых колес червячными фрезами теоретическая схема операции (качение нарезаемого зубчатого колеса по прямолинейной рейке осевого сечения червячной фрезы) заведомо нарушается наклоном канавки, образующей режущие лезвия фрезы, что ведет к появлению систематической погрешности эвольвентного профиля зуба. Аналогично возникают погрешности эвольвенты зуба в процессе его строгания долбяками в связи с нарушением правильного профиля последних при образовании переднего угла при заточке.
При нарезании зуба модульными фрезами систематическую погрешность профиля зуба вызывает несоответствие количества нарезаемых зубьев расчетному числу, для которого спроектирована фреза.
При фрезеровании и нарезании резьбы вращающимися резцами (вихревое нарезание) кинематическая схема операции предопределяет появление огранки (волнистости) поверхности резьбы, являющейся систематической погрешностью формы поверхности резьбы.
$ 2.5
СЛУЧАЙНЫЕ ПОГРЕШНОСТИ ОБРАБОТНИ
В процессе обработки партии заготовок на настроенных станках их размеры непрерывно колеблются в определенных границах, отличаясь друг от друга и от настроенного размера на величину случайной погрешности.
Случайная погрешность — это такая погрешность, которая для разных заготовок рассматриваемой партии имеет различные значения, причем ее появление не подчиняется никакой видимой закономерности.
В результате возникновения случайных погрешностей происходит рассеяние размеров заготовок, обработанных при одних и тех же условиях. Рассеяние размеров вызывается совокупностью многих причин случайного характера, не поддающихся точному предварительному определению и проявляющих свое действие одновременно и независимо друг от друга. К таким причинам относятся колебания твердости обрабатываемого материала и величины снимаемого припуска; изменения положения исходной заготовки в приспособлении, связанные с погрешностями ее базирования и закрепления или обусловленные неточностями приспособления; неточности установки положения суппортов по упорам и лимбам; колебания температурного Режима обработки и упругих отжатий элементов технологической системы под влиянием нестабильных сил резания и т. п.
45
Для выявления и анализа закономерностей распределения размеров заготовок при их рассеянии успешно применяются методы математической статистики.
ЗАКОНЫ РАССЕЯНИЯ (РАСПРЕДЕЛЕНИЯ) РАЗМЕРОВ
В результате возникновения случайных погрешностей при обработке партии заготовок на настроенном станке истинный размер каждой заготовки является случайной величиной и может принимать любое значение в границах определенного интервала.
Совокупность значений истинных размеров заготовок, обработанных при неизменных условиях и расположенных в возрастающем порядке с указанием частоты повторения этих размеров или частостей, называется распределением размеров заготовок. Под частостью понимается отношение числа заготовок одного размера к общему числу заготовок партии.
Рис. 2.8
Распределение измеренных размеров заготовок
Таблица 2.2
Распределение размеров заготовок
Интервал, мм	Частота т	Ч астость т/п
20,00—20,05 20,05—20,10 20,10—20,15 20,15—20,20 20,20—20,25 20,25—20,30 20,30—20,35	2 11 19 28 22 15 3	0,02 0,11 0,19 0,28 0,22 0,15 0,03
Итого:	n = т = 100	У т/п = 1
Распределение размеров заготовок можно представить в впде таблиц или графиков. На практике измеренные значения истинных размеров заготовок разбивают на интервалы или разряды таким образом, чтобы цена интервала (разность между наибольшим и наименьшим размерами в пределах одного интервала) была несколько больше цены деления шкалы измерительного устройства. Этим компенсируются погрешности измерения. Частость в этом случае представляет собой отношение числа т заготовок, действительные размеры которых попали в данный интервал, к общему количеству п измеренных заготовок партии.
Например, после измерения 100 шт. заготовок с действительными размерами в пределах от 20,00 до 20,35 мм распределение размеров этих заготовок может иметь вид, приведенный в табл, 2.2.
Распределение измеренных размеров таких заготовок можно представить в виде графика (рис. 2.8). По оси абсцисс откладывают интервалы размеров в соответствии с табл. 2.2, а по оси ординат
46
оответствующие им частоты т или частоты т/п. В результате по-РТпоения получается ступенчатая линия 1, называемая гистограммой Определения. Если последовательно соединить между собой точки, Соответствующие середине каждого интервала, то образуется ломаная кривая, которая носит название эмпирической кривой распределе-н„я> или полигона 2 распределения. При значительном количестве замеренных заготовок и большом числе интервалов размеров ломаная эмпирическая кривая приближается по форме к плавной кривой, именуемой кривой распределения. Для построения гистограммного распределения рекомендуется измеренные размеры разбивать не менее чем на шесть интервалов при общем числе измеряемых заготовок не меньше 50 шг.
При разных условиях обработки заготовок рассеяние их истинных размеров подчиняется различным математическим законам. В технологии машиностроения большое практическое значение имеют следующие законы: нормального распределения (закон Гаусса), равнобедренного треугольника (закон Симпсона), эксцентриситета (закон Релея), законы равной вероятности и функции распределения, представляющие собой композицию этих законов.
Закон нормального распределения (закон Гаусса). Многочисленные исследования, проведенные профессорами А. Б. Яхиным, А. А. Зыковым и другими, показали, что распределение действительных размеров заготовок, обработанных на настроенных станках, очень часто подчиняется закону нормального распределения (закону Гаусса).
Это объясняется известным положением теории вероятностей о том, что распределение суммы большого числа взаимно независимых случайных слагаемых величин (при ничтожно малом и примерно одинаковом влиянии каждой из них на общую сумму и при отсутствии влияния доминирующих факторов) подчиняется закону нормального распределения Гаусса.
Результирующая погрешность обработки обычно формируется в результате одновременного воздействия большого числа погрешностей, зависящих от станка, приспособления, инструмента и заготовки, которые по существу представляют собой взаимно независимые случайные величины; влияние каждой из них на результирующую погрешность имеет один порядок, поэтому распределение результирующей погрешности обработки, а значит, и распределение действительных размеров обрабатываемых заготовок подчиняются закону нормального распределения.
Уравнение кривой нормального распределения имеет следующий вид:
202 ,	(2.8)
где о — среднее квадратическое отклонение, определяемое по формуле
2оа
°=V S(Lt ~Lcp)34-=/4- S(Li -Lc₽)2 mt; (2-9)
47
Lt — текущий действительный размер; Lcp — среднее взвешенное арифметическое значение действительных размеров заготовок данной партии.
Значение Lcp можно определить из выражения
£сР=2/-'-т-=4-2£'/п"	(2-10)
где т( — частота (количество заготовок данного интервала размеров); п — количество заготовок в партии.
Рис. 2.9
Кривая нормального распределения (закон
Гаусса)
Рис. 2.10
Влияние среднего квадратического отклонения на форму кривой нормального распределения
Кривая, характеризующая дифференциальный закон нормального распределения, показана на рис. 2.9. Среднее арифметическое Lcp действительных размеров заготовок данной партии характеризует положение центра группирования размеров.
Анализ уравнения (2.8) показывает, что кривая нормального распределения симметрична относительно оси ординат. Значениям х и —х соответствует одинаковая величина ординаты у. При Lt = Lcp кривая имеет максимум, равный
1	0,4	/О 1 П
Утах~о]А^^ о •	<211)
На расстоянии ±ст от вершины кривая имеет две точки перегиба (точки А и В). Ордината точек перегиба
Ул = У в = —+== =	« 0,6z/max « ^1.	(2.12)
о У 2пе у е	°
Кривая асимптотически приближается к оси абсцисс. На расстоянии ±3о от положения вершины кривой ее ветви так близко подходят к оси абсцисс, что в этих пределах оказывается 99,73 % площади, заключенной между всей кривой нормального распределения с осью абсцисс. При практических расчетах обычно принимается, что на расстоянии ±3о от положения вершины кривой нормального распределения ее ветви пересекаются с осью абсцисс, ограничивая 100 % площади между кривой и осью абсцисс. Возникающая при
48
Рис. 2.11
Смещение вершины кривой распределения относительно середины поля рассеяния w
этом допущении погрешность, составляющая 0,27 %, практического значения не имеет.
При увеличении о значение ординаты г/тлх уменьшается [см. формулу (2.8) 1, а поле рассеяния со = бст возрастает; в результате этого кривая становится более пологой и низкой, что свидетельствует о большем рассеянии размеров и, следовательно, р меньшей точности. В этом смысле среднее квадратическое отклонение о является мерой рассеяния или мерой точности. Влияние о на форму кривой нормального распределения показано на рис. 2.10.
Фактическое поле рассеяния размеров заготовок со = бст. (2.13)
Практически под влиянием различных причин систематического и случайного характера вершина кривой распределения может смещаться по отношению к середине поля рас-
сеяния в ту или иную сто-
рону, а форма кривой может изменяться; в результате этого фактическая кривая нормального распределения может стать несимметричной. При этом координата центра группирования размеров EmAt определяющая положение центра группирования отклонений относительно номинального размера Ait является математическим ожиданием величины отклонения. Она равняется среднему взвешенному арифметическому значению отклонения и, очевидно, в этом случае не равняется координате середины поля рассеяния Есыл ., т. е. EmAi ЕсыА( (рис. 2.11).
Смещение центра группирования характеризуется величиной коэффициента относительной асимметрии а, величина которого определяется формулами:
EtnAi — Ест , ..	EmA, EcAi /п • . .
=------------ (2Л4> ИЛИ “ =-------------772----’	<2J4a)
где EcAt — координата середины поля допуска Т.
Коэффициент а определяет величину смещения математического ожидания (центра группирования) отклонений EmAt относительно середины поля рассеяния (или поля допуска) в долях половины поля рассеяния (допуска).
Значения а находятся в пределах от 0 до ±0,5 и определяются опытным путем или находятся из соответствующих таблиц. В проектных случаях, когда условия обработки бывают неизвестны, часто принимают а = 0, считая кривую распределения симметричной.
При определении среднего квадратического отклонения по данным непосредственных измерений заготовок и расчетов по формуле
49
(2.6) погрешность определения среднего квадратического, обозначаемого в этом случае буквой S, зависит от общего количества п из-
меренных заготовок и в отдельных случаях весьма значительна. Учи-
тывая это обстоятельство, для предотвращения возможного появления
Таблица 2.3
Максимальная погрешность AS определения 5 в процентах к среднему квадратическому о генеральной совокупности н значение поправочного коэффициента р при разном числе измеренных заготовок п
П, шт.	%	р	П, шт.	AS, %	р
25	42,4	1.4	200	15,0	1,15
50	30,0	1,3	300	12,2	1.12
75	25,0	1,25	400	10,6	1,11
100	21,2	1,2	500	10,0	1,10
брака целесообразно при использовании формулы (2.13) принять соотношение
o = pS,	(2.15)
где S — среднее квадратическое отклонение, определенное по формуле (2.9) на основании данных замеров партии заготовок; р — коэффициент, учитывающий погрешность определения среднего квадратического при малых размерах партии измеренных заготовок (табл. 2.3).
Закон нормального распределения (закон Гаусса) в большин-
стве случаев оказывается справедлив при механической обработке заготовок с точностью 8, 9 и 10-го квалитетов и грубее.
При более точной обработке распределение размеров обычно под-
чиняется другим законам.
Закон равнобедренного треугольника (закон Симпсона). При обработке заготовок с точностью 7-го и 8-го а в некоторых случаях и 6-го квалитетов распределение их размеров в большинстве случаев
Рис. 2.12
Распределение размеров обработанных заготовок по закону Симпсона (а) и но закону равной вероятности «Г, в)
подчиняется закону Симпсона, который графически выражается равнобедренным треугольником (рис. 2.12, а) с полем рассеяния
со — 2у 6-о » 4,9о.	(2.16)
Величина среднего квадратического отклонения о и в этом случае определяется по формуле (2.9).
Закон равной вероятности. Если рассеяние размеров зависит только от переменных систематических погрешностей (например, от износа режущего инструмента), то распределение действительных 50
размеров партии обработанных заготовок подчиняется закону равной вероятности.
Например, при установившемся износе режущего инструмента Уменьшение его размеров во времени подчиняется прямолинейному закону, что соответственно увеличивает (при обработке валов) или уменьшает (при обработке отверстий) диаметры обрабатываемых заготовок.
Естественно, что изменение размеров обрабатываемых заготовок
на величину 21 = b — а за период Тг — Тх в этом случае тоже происходит по закону прямой линии (рис. 2.12, б). Распределение размеров заготовок в интервале от а до b по закону равной вероятности дыражается прямоугольником (рис. 2.12, в) с основанием 21 и высотой (ординатой) 1/2/.
Площадь прямоугольника равна единице, что означает 100 %-ную вероятность появления размера заготовки в интервале от а до Ь.
Среднее арифметическое значение размера
ЕСР = (« + Ь)/2.
Среднее квадратическое
Ь — а _ I
2 Из ~ ЕТ
о
0,577/.
(2.17)
(2-18)
Фактическое поле рассеяния
о» = 2о у/3 «
3,4бст.
(2.19)
Закон равной вероятности распространяется на распределение размеров заготовок повышенной точности (5—6-й квалитеты и выше) при их обработке по методу пробных ходов. Из-за сложности получения размеров очень высокой точности вероятность попадания размера заготовки в узкие границы допуска по среднему, наибольшему или наименьшему его значению становится одинаковой.
Закон эксцентриситета (закон Релея). Распределение таких существенно положительных величин, как эксцентриситет, биение, разно-стешюсть, непараллельность, неперпендикулярность, овальность, кенусообразность и некоторых других, характеризующихся их абсолютными значениями (т. е. без учета знака), подчиняется закону распределения эксцентриситета (закону Релея).
Распределение по закону Релея формируется (в частности) тогда, когда случайная величина R является радиус-вектором при двумерном гауссовом распределении, т. е. если она представляет собой геометрическую сумму двух случайных величин х и у
(2.20) каждая из которых подчиняется закону Гаусса с параметрами:
Гд. — /.,, — Гр — 0, ст, — о., — On. ер «ср 'ср ’ х « и
51
Закон распределения Релея однопараметрический, и уравнение его кривой распределения имеет вид
— л2/(20о)	I
.	(2-21)
°о
где о0 — среднее квадратическое отклонение значений координат X И у.
На рис. 2.13, б показано, что для теоретической кривой распред деления по закону Релея характерны крутой подъем восходящей
Рис. 2.13
Образование эксцентриситета (радиуса-век* тора Я) втулки 1 при ее обработке на цилиндрической оправке 2 при различии зазора между оправкой и отверстием втулки (а) и функция у = f (Я) распределения размеров по закону Релея (б)
ветви и более пологий спуск нисходящей ветви. Вершина кривой более заострена, чем у кривой нормального распределения, и смещена от среднего значения переменной величины R в сторону начала координат.
Из уравнения (2.21) следует, что при R = 0 и у — 0, т. е. начало кривой распределения эксцентриситета совпадает с началом координат. Нисходящая ветвь этой кривой асимптотически приближается к оси абсцисс.
Основные параметры закона Релея. Среднее арифметическое /?ср переменной случайной величины (эксцентриситета, разностенности и других), ее среднее квадратическое отклонение оя и среднее квадратическое отклонение о0 значений координат х и у конца радиус-вектора R связаны между собой следующими соотношениями:
°о — о^/0,655;	(2.22)
/?ср = 1,92; gr = 1,253о0.	(2.23)
Фактическое поле рассеяния значений переменной величины радиус-вектора R (эксцентриситета, разностенности, непараллельное™ и других) находят из выражений:
со = 5,252 тл;	(2.24)
со = 3,44а0.	(2.25)
Композиции законов распределения и суммирование погрешностей. При обработке заготовок на точность их размеров часто одновременно воздействуют разные факторы, вызывающие появление как случайных погрешностей, образующихся по разным законам, так и систематических или переменных систематических погрешностей. В подобных случаях закон распределения размеров обработанных заготовок представляет собой композицию нескольких законов распределения.
52
Когда на размеры заготовок одновременно оказывают влияние лучайные причины, обусловливающие рассеяние размеров по закону Гаусса и систематическне погрешности — ДСИст. кривая Гаусса /оис 2.14, а) смещается на величину этой погрешности, сохраняя свою форму (рис. 2.14, б). В этом случае поле суммарного рассеяния размеров заготовок определяется из выражения
(О = 6о + Дсист.	(2.26)
Например, при развертывании партии заготовок рассеяние раз-
меров диаметров подчиняется закону нормального
с полем рассеяния 6о. При смене развертки характер рассеяния не меняется (так как все условия обработки остаются неизменными), однако вершина кривой рассеяния смещается на величину старой и новой разверток (Деист = Ди). Поле суммарного рассеяния размеров партии заготовок, обработанных обеими развертками, в соответствии с выражением (2.26) также расширяется на величину этой разности.
Если при этом кривая
распределения
В)

разности диаметров
рассеяния строится по заме- рис. 2.в
*	г g.	Изменение формы суммарной кривой рассеяния
рам заготовок без учета си- под влиянием Дснст при обработке нескольких пар-стематической погрешности тий заготовок с поднастройкой станка (например, когда измеряется
вся партия заготовок, обработанная с нескольких настроек), то форма общей кривой рассеяния искажается и отличается от формы кривой Гаусса (кривая может иметь несколько вершин разной высоты соответственно числу настроек и количеству заготовок, обработанных с каждой настройки (рис. 2.14, в, г).
При вычислении суммарной погрешности обработки систематические погрешности складываются алгебраически, т. е. с учетом их знаков. Вследствии этого результат суммирования может показать не только увеличение, но и снижение общей погрешности в связи с взаимной компенсацией влияния составляющих погрешностей. Например, удлинение резца в связи с его нагревом, уменьшающее диаметр обтачиваемого вала, может скомпенсировать влияние износа резца, вызывающего увеличение диаметра обработки.
Систематическая погрешность со случайной погрешностью складываются арифметически в соответствии с формулой (2.26).
Случайные погрешности, не подчиняющиеся закону Гаусса, при отсутствии доминирующей погрешности суммируются, т. е.
ю = <(7^)3 + (К3со2)* +  •. + (K„<o„)s,	(2.27)
53
где ©ъ ©2, ..., ©п — поля рассеяния суммируемых случайных по грешностей; К2......... Кп — коэффициенты относительного pad
сеяния случайных величин.
Коэффициент относительного рассеяния К,- показывает, во скольку раз отличается фактическое рассеяние значений i-й погрешности oi величины рассеяния этой погрешности при ее нормальном распределении с тем же значением.	•
Для закона нормального распределения К = 1,0; для закон^ Симпсона К = 1,2; для закона равной вероятности К — 1,73.
Из теории вероятностей следует, что при отсутствии доминирующих погрешностей рассеяние суммарной погрешности подчиняется закону Гаусса независимо от законов распределения составляющих погрешностей.
Когда все суммируемые погрешности подчиняются закону Гаусса (Ki = К2 = •••= Кп = 1,0), поле рассеяния суммарной погрешности	_______________
© —	©1 -j- ©5 -|-  • • ©л-	(2.28)
В обычных условиях обработки на настроенных станках и при отсутствии заметного влияния износа инструмента распределений большинства составляющих погрешностей подчиняется закон! Гаусса и можно было бы принять К = 1,0. Однако для того, чтобы учесть возможное на практике отступление распределения отделы ных составляющих от закона Гаусса, в расчетах по формуле (2.281 часто принимают (для создания некоторой гарантии точности) значение К = 1,2, что соответствует распределению, соответствующем! закону Симпсона, т. е.
© —1,2	©1 -ф ©г “Ь  • • ©л-	(2.291
Функция распределения a (f). В большинстве случаев мехами! ческой обработки заготовок на настроенных станках на точность i \ размеров одновременно влияет большое число близких по величине и независимых друг от друга случайных причин, обусловливающий распределение размеров по закону Гаусса, и переменных системати! ческих погрешностей, возникающих вследствие равномерного износа^ режущего инструмента и определяющих распределение по закону равной вероятности или другим (например, степенным) законам.
В подобных случаях изменение исследуемой величины X, зависит от времени и сама функция может быть представлена в общем виде на некоторый момент времени t выражением
п
(2.30)
где Yi — независимые или слабо зависимые случайные величины; Ct — сумма неслучайных слагаемых, соответствующая моменту! времени t.
Композиция законов Гаусса и равной вероятности создает кривые распределения различной формы, зависящей от степени воздействия 54
Рис. 2.15
Кривая функции а (/)
конечное распределение каждого из составляющих законов. Для насЧетов точности обработки заготовок при подобной композиции ^Яконов распределения удобно пользоваться разработанной профес-орОм Н. А. Бородачевым функцией распределения a (t).
Функция а (0 формируется законом Гаусса с его параметрами о и Lcp. зависящими от точности вида обработки и технологической системы, и законом равной вероятности с параметрами I = (Ь — а)/2 (см- рис. 2.12, в), на величину поля рассеяния которого оказывают влияние скорость и продолжительность процесса (в случае износа инструмента I определяется удельным износом и продолжительностью резания). Таким образом, функция а (0 отражает не только точность, но и продолжительность процесса обработки.
Функцию а (0 можно рассматривать как результат равномерного смещения во времени вершины кри
вой Гаусса со средним квадратическим о на величину параметра 21 кривой распределения закона равной вероятности.
. 'а рис. 2.15 представлена кривая а (0, которая для некоторого момента времени t выражается формулой
(2-31)
где о — среднее квадратическое отклонение гауссова распределения, формирующего функцию а (0; а0 — среднее арифметическое значение размера в начальный момент времени.
Форма кривой распределения композиционной временной функции а (0 зависит от параметра Ха, определяемого отношением / к среднему квадратическому о мгновенного гауссова распределения, т. е.
К = //о.	(2.32)
Линейную функцию a (t) можно представить в виде
а (0 = а0 + 2lt = а0 + 2Х at.	(2.33)
Среднее арифметическое значение размера функции
Аср = а0 + I = а0 + Х,0о.	(2.34)
Среднее квадратическое отклонение оа функции а (0
Оо= ]/o2 + -J = o]/l +4^.	(2-35)
На рис. 2.16 представлено семейство нормированных кривых Распределения линейной функции а (0 при различных значениях “ Все кривые симметричны, имеют плоские вершины и изменяют
55
свой вид от кривой 1 нормального распределения Гаусса (при I -> Q и = 0) до прямоугольника 2 распределения равной вероятноси! при Ха = оо и о -> 0.
Поле рассеяния <о размеров при функции распределения а (( зависит от параметра Хц следующим образом:
...................... 3	6	10	24
<о.......................4,74оа	4,14оа	3,76о0	3,56аа
РАССЕЯНИЯ РАЗМЕРОВ
ЗАГОТОВОК
СОСТАВЛЯЮЩИЕ ОБЩЕГО
Рассеяние размеров обрабатываемых заготовок вызывается много численными случайными факторами различного характера, оказы вающими свое воздействие на отдельные элементы технологически' системы одновременно и независимо друг от друга. По своему происхождению эти факторы могут быть объединены в определенные труп пы, вызывающие свою долю общего рассеяния размеров.
Рассеяние размеров, связанное с видом обработки (мгновенно( рассеяние). Каждому виду обработки, осуществляемому на опреде ленном оборудовании, свойственна своя величина рассеяния размер ров, характеризуемая полем сом рассеяния.
Однако и внутри данного вида обработки значение юм изменяется в зависимости от конструкции, типоразмера и состояния станка (т. е. от его точности и жесткости). Развитие конструкции станков и появление их новых типоразмеров могут вызвать переоценку устано вившихся представлений о рассеянии размеров при данном виде обработки.
Рассеяние размеров, связанное с видом обработки, не остается постоянным и в продолжении обработки партии заготовок, а изме няется в зависимости от состояния режущего инструмента (рис. 2.17
а). В начале (начальный износ инструмента) и в конце (интенсивный катастрофический износ и разрушение инструмента) обработки пар тии заготовок поле рассеяния од/'1 и <о£онечн больше, чем ЮмР в се редине обработки партии (рис. 2.17, б).

*



56
Рассеяние размеров в каждый данный момент времени (мгно-
венное рассеяние) определяется грузки (зазором в подшипнике резания) и оказывающими влияние на нагрузку (колебаниями припусков на обработку, колебаниями твердости обрабатываемого материала).
‘ Каждый из факторов, влияющих на мгновенное рассеяние размеров, проявляет свое действие независимо друг от друга и изменяется как случайная величина, формируя поле мгновенного рассеяния сом.
Рассеяние размеров, связанное с погрешностью установки. При установке заготовки на станке для обработки методом автоматического получения размеров
факторами, не зависящими от на-инделя, неравномерностью процесса
Рис. 2.17
Износ режущего инструмента (а) и изменение ноля мгновенного рассеяния размеров обработанных заготовок (6Г)
достигаемая точность размеров зависит от положения измерительной базы1 заготовки
относительно режущего ин
струмента.
Колебание положения измерительной базы заготовки является причиной возникновения погрешности установки Ду, вызывающей
Рис. 2.18
Возникновение погрешности базирования
рассеяние <оу размеров. Значение <оу складывается из погрешностей базирования До = соб, закрепления Д3 = ю3 и приспособления Дир = (йпр.
Погрешность базирования. При установке заготовки в приспособлении в ряде случаев возникает погрешность базирования Дс = <об, связанная с несовпадением измеритель-
ной (плоскость Л) и технологической (плоскость В) баз (рис. 2.18, а) или вызванная особенностями формы опорных поверхностей заю-товки и установочных элементов приспособления (рис. 2.18,6).
Измерительной базой называется поверхность, линия или точка, от которой производится отсчет размеров при измерении или изготовлении заготовки.
5Т
Погрешность базирования (поле рассеяния размеров вследствие погрешности базирования) можно определить как разность предельных расстояний измерительной базы заготовки относительно установленного на размер инструмента.
Поле рассеяния размера а (рис. 2.18, а), связанное с погрешностью базирования, находится из уравнения соб = ТЬ, а поле рассеяния размера m (рис. 2.18, б) подсчитывается по формуле
TD /	1	,\
«б —	2 sin (а/2)	1) •
Рнс. 2.19
Погрешность закрепления О)д — ^гаах при ФРезе" рованни (а) и при токарной обработке (б)
Погрешность базирования определяется из геометрических соотношений и при определенных условиях может быть сведена к нулю.
Формулы для расчета погрешности базирования при различной форме базирующих поверхностей заготовок и установочных элементов приспособлений приведены в технологической литературе.
Погрешность закрепления. При закреплении заготовки в приспособлении во многих случаях происходит ее перемещение (вы
жимание из приспособления), приводящее к появлению зазора S между базирующей поверхностью заготовки и соответствующей установочной поверхностью приспособления, по отношению к которой производится настройка станка (рис. 2.19). Изменение перемещения заготовки при ее закреплении в приспособлении вызывает рассеяние размера а с полем рассеяния со3, определяемым в большинстве случаев экспериментальным путем.
Погрешность закрепления Д3 = соэ зависит от конструкции и состояния зажимного устройства приспособления и от направления усилия зажима. Наименьшая погрешность закрепления, связанная с выжиманием заготовки из приспособления, достигается при направлении зажимного усилия перпендикулярном технологической установочной базе. Однако и в этом случае погрешность закрепления не равна нулю в связи с неточностью базирующих опорных поверхностей заготовок и наличием контактных деформаций поверхностей стыка. Эти деформации в общем виде описываются нелинейным законом вида
у — сРп
(2.36)
и могут достигать в отдельных случаях больших значений.
В формуле (2.36) с — коэффициент, характеризующий вид контакта, материал заготовки, шероховатость и состояние его поверхностного слоя; Р — сила, действующая на контактный элемент (опору); п — показатель степени (меньше единицы).
58
Контактные деформации поверхностей стыка сопровождаются перемещением технологической и измерительной баз заготовки относительно положения установленного инструмента и поэтому тоже вызывают появление погрешности закрепления.
Погрешность приспособления. При установке и закреплении заготовки в приспособлении ее положение относительно инструмента может оказаться неточным из-за погрешности изготовления и сборки самого приспособления (например, погрешности установочных элементов приспособления, его делительных устройств), его износа и неточности установки приспособления на станке. Для различных приспособлений значения перечисленных погрешностей изменяются в пределах 0,005—0,02 мм, и, суммируясь как случайные величины, образуют общую погрешность приспособления.
При однократном применении одноместного приспособления (обработка партии заготовок при одной настройке станка или небольшом числе настроек) погрешность приспособления вызывает систематическую погрешность обработанной заготовки и во многих случаях может быть скомпенсирована при настройке станка. В этом случае при расчете общей погрешности установки погрешность приспособления можно не учитывать.
При применении многоместных приспособлений, приспособлений-спутников на автоматических линиях, большом числе приспособлений-дублеров погрешности приспособлений в процессе настройки станков скомпенсированы быть не могут и оказывают свое влияние на общее рассеяние размеров обрабатываемых заготовок как случайные величины с полем рассеяния <опр.
Общая погрешность Ду установки слагается из всех перечисленных составляющих и определяется в соответствии с правилами суммирования случайных величин по формуле
Ду = <0у = 1,2 ”|/”©б । - <о3 -j- <оПр.	(2.37)
Рассеяние размеров, связанное с погрешностью настройки. Погрешность настройки станка Дн = <он изменяется как случайная величина в результате воздействия погрешности регулирования <оРсГ положения режущего инструмента и отдельных узлов станка относительно установленного инструмента и под влиянием погрешности измерения <оизМ пробных заготовок, по которым производится настройка станка.
Погрешность положения режущего инструмента на станке определяется точностью используемых при настройке регулировочных средств (лимбов, индикаторов, миниметров, упоров и др.). При упрощенных расчетах точности обработки <оргГ можно принимать равной цене деления регулировочного устройства или предельной погрешности мерительного инструмента, с помощью которого регулируют положение режущего инструмента. Точность установки требуемого положения отдельных узлов станка (например, стола фрезерного станка по высоте относительно положения шпинделя) относительно
59
установленного режущего инструмента зависит от конструкции и состояния станка и определяется по его характеристикам.
Погрешность измерения <опзм пробных заготовок принимается равной предельной погрешности используемого измерительного инструмента.
Суммарная погрешность настройки в общем случае определяется выражением
Дн = юн == 1>2 <Орёг 4~ юизм.	(2.38)
При настройке станков по пробным заготовкам с помощью универсального измерительного инструмента (см. гл. 4) на погрешность настройки оказывает дополнительное влияние величина смещения юСЫсщ центра группирования групповых средних, которая определяется формулой
Юсмещ == Юм/Т^	(2.39)
где т — число пробных заготовок, по которым производят настройку с’ганка.
В этом случае погрешность настройки
Ди Юн —= 1,2	Юрег 4~ Юизм 4~ Юсмёщ-	(2.40)
Общее (суммарное) рассеяние размеров заготовок и общая погрешность обработки. Суммарное поле общего рассеяния размеров партии заготовок, обработанных на настроенном станке по методу автоматического получения размеров, выражается формулой
ю = 1,2 юм -J- (Оу -|- <он	(2.41)
или в развернутом виде
Ю = 1,2 j/”(Ом + Юб 4“ Ю3 4“ Юпр 4- Юрег 4~ Юнзм 4“ Юсцещ*	(2.42)
Численные значения величин, входящих в формулу (2.42), определяются для конкретных условий выполнения операции по фактическим значениям полей рассеяния или приближенно по справочным, литературным и статистическим данным. По статистическим данным величина поля рассеяния вида обработки гом составляет: для средних револьверных станков — 0,016—0,039 мм; токарных — 0,013— 0,036 мм, круглошлифовальных —0,004—0,017 мм.
Поле рассеяния, связанное с закреплением (о3, в среднем составляет: в тисках — 0,05—0,2 мм; прихватами — 0,01—0,2 мм; в патроне — 0,04—0,1 мм; в зажимной гильзе — 0,02—0,1 мм.
Погрешность приспособлений (onp = 0,005-i-0,02 мм.
Рассеяние, связанное с погрешностью регулирования юрег, «оставляет: при установке по лимбу или по индикатору — 0,01 — 0,06 мм; по жесткому упору — 0,04—0,10 мм (при особо тщательном регулировании шрсГ = 0,02 мм); по индикаторному упору — 0,005— 0,015 мм; по эталонной детали — 0,10—0,13 мм.
60
Поле рассеяния, характеризующее погрешность измерения пробных заготовок юизЫ, составляет: при измерении штангенциркулем с ценой деления 0,02 мм — мизМ = 0,045 мм; штангенциркулем с ценой деления 0,05 мм — <оизм — 0,09 мм; микрометром — ©т 0,006 ДО 0,014 мм.
Величины погрешностей базирования шб и смещения мсм определяются конкретными расчетами в зависимости от формы опорных поверхностей и простановки размеров, а также от величины о для данного случая.
Общая погрешность обработки Добр включает в себя все поля рассеяния размеров заготовок под влиянием причин случайного характера, а также систематические и переменные систематические погрешности обработки, т. е.
Добр = 1 >2 J/	-J- toy -f-	4* Деист •	(2.43)
Величина ДСИСт представляет собой алгебраическую сумму неустранимых при настройке станка систематических погрешностей, возникающих при обработке заготовок и влияющих на их размеры, и наибольших значений переменных систематических погрешностей.
Ранее было отмечено, что систематические погрешности не изменяют форму кривой рассеяния размеров обрабатываемых заготовок, а только сдвигают положение ее вершины, соответственно увеличивая общее поле колебания размеров партии обработанных заготовок (см. рис. 2.14, б—г), а следовательно, и общую погрешность обработки. Особенно большое практическое значение при этом имеет определение величин и знаков переменных систематических погрешностей.
Известно, что переменные систематические погрешности, обусловленные износом режущего инструмента, изменяются по закону равной вероятности. Однако прн нахождении суммарной погрешности обработки заготовок определять полную долю погрешности, вызываемую износом режущего инструмента, по этому закону практически не всегда нужно, так как эта составляющая погрешности задается при настройке станков, исходя из условий проведения операции и необходимого периода работы станка между его поднастройками, которые компенсируют смещение центра группирования размерен, связанное с износом инструмента. Размерный износ инструмента, Увеличивающий погрешность обработки партии заготовок, учитывается в формуле (2.43) с соответствующим знаком.
Погрешности, вызываемые тепловыми деформациями технолеги-ческой системы (смещение передней бабки токарного или шлифовального станка в направлении на рабочего, удлинение резцов и др.), обычно имеют знак, противоположный погрешностям, обусловленным износом инструмента, и в период тепловых деформаций (период разогревания технологической системы до наступления ее тепловой стабилизации, устанавливающейся через несколько часов повле начала работы станка) могут уменьшать влияние износа инструмент.
61
Формулы (2.42) и (2.43) весьма полезны для выявления основные направлений и конкретных путей повышения точности отдельных операций технологического процесса. Например, если общая погрецц ность обработки превышает поле допуска заготовок и возникает необходимость ее уменьшения, то в первую очередь следует снизить поддающиеся заблаговременному расчету систематические и переменные систематические погрешности Дсист, выходящие в форму те (2.43) за знак корня и оказывающие поэтому значительное влияний на общую погрешность.
Для уменьшения погрешности настройки Дн = ын необходимо сократить погрешность измерения ыИзМ пробных заготовок [см. формулу (2.42) 1 путем применения более точного измерительного инструмента и погрешность регулирования <оРег за счет использования более точных установочных устройств и усовершенствования конструкции механизмов перемещения и отсчетных лимбов станков. 1
Снижения погрешности закрепления <о3 можно достигнуть в результате применения более совершенных конструкций приспособляя ний, предусматривающих плотный прижим базирующих поверхно-1 стей заготовок к жестким и точным установочным элементам, а такж< за счет использования при построении операции настроечных или проверочных технологических баз.
Погрешность базирования Дб = сос можно устранить полностью или свести до минимума посредством правильного выбора формы установочных элементов приспособлений, базирующих поверхностей заготовок и правильной простановки размеров в чертеже заготовки, предусматривающей совмещение технологических и измеритель! пых баз.
Только после использования всех указанных способов уменьшения погрешностей обработки следует анализировать возможности сокращения мгновенного рассеяния сом. Это связано с тем, что для снижения ом обычно приходится заменять производительные и экономичные способы обработки на автоматах и револьверных станках обработкой на более точных, но менее производительных токарных, шлифовальных и доводочных станках.
Изложенная методика расчета рассеяния размеров заготовок и общей погрешности их обработки на станках рекомендуется для использования в проектно-технологических организациях и в отделах Главного технолога завода при выполнении проектных расчетов для сопоставления точности обработки заготовок при разных вариантах технологических процессов на различных станках и с разной технологической оснасткой. В этом случае в расчет следует вводить данные о значениях отдельных составляющих погрешностей и рассеяния, приведенные в литературе, справочниках и заводских нормативах.
При анализе точности обработки партии заготовок по конкретному технологическому процессу на вполне определенном оборудовании и технологической оснастке следует использовать не усредненные справочные и литературные данные, имеющие, как правило, ориентировочный характер, а конкретные характеристики применяе-62
огО оборудования и технологической оснастки, которые целесообразнее всего предварительно уточнить экспериментально. Только в этом случае результаты расчетов точности конкретных технологических вариантов могут быть надежными.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ЗАКОНОВ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРОВ ДЛЯ АНАЛИЗА ТОЧНОСТИ ОБРАБОТКИ
Изложенные законы распределения размеров используются в технологии машиностроения для установления надежности проектируемого технологического процесса в обеспечении обработки заготовок без брака; расчета количества вероятного брака при обработке; определения количества обработанных заготовок, требующих дополнительной обработки; расчета экономической целесообразности использования высокопроизводительных станков пониженной точности; расчета настройки станков; сопоставления точности обработки заготовок при различном состоянии оборудования, инструмента, смазочно-охлаждающей жидкости и т. п.
Установление надежности обработки заготовок без брака. Надежность обеспечения требуемой точности обработки заготовок характеризуется запасом точности фданной операции, который определяется по формуле
ф = 77 w,	(2.44)
где Т — допуск на обработку заготовки; <о — фактическое поле рассеяния размеров заготовок.
Величина поля рассеяния со при различных законах распределения размеров обрабатываемых заготовок приводится ниже.
Нормальное распределение (закон Гаусса)	6о
Равнобедренный треугольник (закон Симпсона) .................................. 2оК 6 = 4,90о
Равная вероятность...................... 2оК3 = 3,46о
Эксцентриситет (закон Релея) ............ 3,44о0;	5,250^
Линейная функция а (!)
7.а — 3...........4,74оа	7.д = 10.........3,76оа
7.а=6.............4,14Оо	?.о= 24 ........ 3,56Оо
Когда запас точности ф> 1,0, обработка заготовок может быть осуществлена без брака (при условии правильной настройки станка, обеспечивающей совмещение вершины кривой рассеяния с серединой поля допуска). При ф < 1,0 брак заготовок является весьма вероятным.
При ф^ 1,2 процесс обработки считается надежным. Для всех законов распределения размеров (рис. 2.20) условием обработки заготовок без брака является выражение
со < Т,	(2.45)
63
показывающее, что поле фактического рассеяния размеров меньцЛ установленного допуска. Для закона нормального распределения это выражение приобретает вид
6о < Т.	(2.45а)
При наличии систематической погрешности Дсист, вызывающей смещение поля рассеяния (рис. 2.14, в), условие обработки заготовок без брака
6о + Дсист < Т.
(2.46)
Рис. 2.20
Условие обработки заготовок без брака для разных законов распределения
В этом выражении часто принимается (рис. 2.14, б) Дсист = Дв (где Д„ — погрешность настройки станка), так как другие систематические погрешности во многих случаях удается компенсировать при настройке станка.
Расчет количества вероятного брака заготовок. В тех случаях, когда поле рассеяния размеров заготовок на данной операции превосходит поле допуска (w > Т), условие обработки без брака (2.45) не выполняется и брак заготовок является возможным.!
Вероятный процент брака всей партии обработанных заготовок вычисляется следующим образом. При рассеянии размеров, соответствующем закону нормального распределения Гаусса, принимается с погрешностью не более 0,27 %, что все заготовки партии имеют действительные размеры в пределах поля рассеяния 6а = L^T — /.min’! При этом очевидно, что площадь, ограниченная кривой нормального распределения и осью абсцисс (рис. 2.21), равна единице и определяет 100 % заготовок партии. Площадь заштрихованных участков представляет собой количество (в долях единицы или в процентах) заготовок, выходящих по своим размерам за пределы допуска.
Для определения количества годных заготовок необходимо найти площадь, ограниченную кривой и осью абсцисс на длине, равной допуску Т = L^ax — £т°п- При симметричном расположении поля рассеяния относительно поля допуска (рис. 2.21, а) следует найти удвоенное значение интеграла, определяющего половину площади»! ограниченной кривой Гаусса и абсциссой х0,
х0 (Li~Lcp)2
Ф(/) =—J=fe	2оа dL.
о К2л J
(2.47)
64
Выражение (2.47) можно записать в нормированном виде в форме известной функции Лапласа:
O(0 = -7U(e/’/2df.
/2л J
(2.48)
Значения этой функции табулированы в зависимости от величины I и приведены в Приложении 1.
Рис. 2.21
Количество вероятного брака при симметричном (а) и несимметричном (<7) расположении поли рассеяния относительно поля допуска
В формуле (2.48) величина t представляет собой нормированный параметр распределения или коэффициент риска и определяется выражением
t = (L — Lcp)/o = х0/о.	(2.49)
С увеличением значения t возрастает количество заготовок, размеры которых находятся в пределах рассматриваемого поля допуска Т, и уменьшается процент ожидаемого брака при обработке. При распределении размеров по закону Гаусса процент ожидаемого брака (процент риска Р) в зависимости от величины нормированного параметра распределения может быть определен в соответствии со значениями, приведенными ниже.
Процент
Риска Р. .	0,1	0,2	0,27	0,5	1,0	2,0	3,0	4,0	5,0	10,0	32,0
Значение t	3,29	3,12	3,00	2,80	2,57	2,33	2,17	2,06	1,96	1,65	1,00
Известно, что решение функции Лапласа зависит не от конкрет-’ ''^значений х0 и о, а от их отношения в соответствии с формулой
Таким образом, расчет количества годных обработанных заготовок сводится к установлению по формуле (2.49) величины t и определению Ф(/) по таблице Приложения 1 с последующим пересчетом полученных величин в проценты или в число штук заготовок.
з Маталин А. А.	65
Пример 2.2. На револьверном станке обрабатывают партию валиков из латуни, состоящую из 300 шт. Допуск на обработку 7'= 0,10 мм. Материал резца_____
алмаз, износом которого в пределах обработки партии заготовок можно пренебречь из-за его малости.
Определить количество годных и бракованных заготовок для случая, когда настройка станка обеспечивает симметричное расположение кривой распределения по отношению к полю допуска (рис. 2.21, а). По результатам замеров 75 шт. пробных заготовок эмпирическая величина среднего квадратического отклонения S = = 0,02 мм.
Решение. 1. Принимаем, что распределение размеров подчиняется закону Гаусса (обработка на настроенном станке при отсутствии доминирующих и систематических погрешностей).
2.	Определяем расчетное значение среднего квадратического отклонения о по формуле (2.15) и табл. 2.3: о = p-S — 1,25-0,02= 0,025 мм.
3.	Поле фактического рассеяния о> = 6о = 6-0,025 = 0,15 мм превосходит! поле допуска 7"= 0,10 мм; следовательно, условие (2.45а) обработки без брака не выполнено и появление брака возможно.
л г-	Т 0,1 с J х0 0,05 п.
4.	Согласно расчету хи = -%- = —= 0,05 мм и t = — =	= 2,0.
Следовательно, Ф (/) = 0,4772 (см. Приложение 1), что соответствует 47,72 % годных заготовок от половины всей партии (функция Лапласа решена от 0 до хс)]1 Для всей партии количество годных заготовок составило 95,44 %, или 286 шт., а бракованных — 4,56 %, или 14 шт.
Пример 2.3. При исходных условиях, аналогичных предыдущему примеру, определить количество годных и бракованных заготовок, маломерных и чрезмерно больших заготовок, а также общее количество брака, если погрешность Дн настройки смещает положение вершины кривой распределения вправо от середины поля допуска (см. рис. 2.21, б) на 0,02 мм.
Ре	шение. 1. Рассчитываем значения хА и tA по площади А (см. рис. 2.21, б); хА = Т/2 4- Дн = 0,05 + 0,02 = 0,07; tA = хА/о = 0,07/0,025 = 2,8.
В соответствии с Приложением 1 Ф (j.) = 0,4974, т. е. 49,74 % заготовок годных и 0,26 %, или одна заготовка, бракованных по причине слишком малого диаметра.
2.	Находим значения хв и tB по площади В; хв = Т/2 — Дн = 0,05 — 0,02 = = 0,03; tB = хв/а = 0,03/0,025 = 1,2.
Следовательно, Ф (1В) = 0,3849, т. е. 38,49 % заготовок годных и 11,51 %, или 34,5 шт., бракованных вследствие слишком большого диаметра.
3.	Общее количество годных заготовок: 49,74 + 38,49 = 88,23 %, или 265 шт. Общее количество брака: 0,26+ 11,51 = 11,77 %, или 35 шт.
В случае, когда рассеяние размеров заготовок вызывается не только случайными, но и переменными систематическими погрешностями и распределение размеров подчиняется функции a (t) с параметрами оо и Хо, порядок вычисления вероятного количества брака при oj > Т принципиально ничем не отличается от расчета при распределении размеров по закону Гаусса.
Так же, как и при нормальном распределении, вероятное количество бракованных заготовок определяется суммой заштрихованных участков площади, ограниченной кривой функции а ((), при симме-1 тричном расположении кривой распределения по отношению к полю допуска (рис. 2.22, а) или величиной заштрихованного участка этой площади при одностороннем выходе бракованных заготовок за пределы поля допуска (рис. 2.22, б).
Аналогично закону Гаусса функцию а (I) можно выразить в нормированном виде с помощью нормированного параметра 66
распределения, который в данном случае определяется фор-мул°“	* —"	'	(2.50)
^ср)/^а — X’q/Gj,
где п0 — среднее квадратическое отклонение функции.
После соответствующих преобразований функция
а (0 = Ф (to, М	(2.51)
табулируется (Приложение 2).
При симметричном расположении кривой распределения функции а (0 относительно середины поля допуска (рис. 2.22, а) размеры заштрихованных участков площади (а следовательно, и долю брака) определяют последовательным расчетом величин: = Z/o; х0 = Ti2\ Lcp = Umin + £ma")/2 и t0 по формуле (2.50).
Рнс. 2.22
Количество вероятного брака при симметричном (а) и несимметричном (<7) расположении поля рассеяния, ограниченного кривой функции а (О» относительно середины поля допуска
По установленным значениям Ха и ta (по таблице Приложения 2) находят Ф(/а, La), выражающую в долях единицы половину общего числа годных заготовок (незаштрихованный участок площади на рис. 2.22, а, расположенный по одну сторону середины поля допуска), и рассчитывают общее количество бракованных заготовок в процентах по формуле
Q6r = 100% [1 - 2Ф (ta, !„)].	(2.52)
Пример 2.4. На револьверном ставке обрабатывают 300 шт. валиков из стали 45. Размеры заготовок 0 25X 40 мм. Допуск на обработку 0,1 мм. Материал резца Т30К4. Режим резания: V= 150 м/мии; подача s= 0,08 мм/сб; 1 = 0,5 мм.
Так же, как и в примере 1.2, по пробной партии заготовок экспериментально установлено и подсчитано, что рассеяние размеров заготовок при обработке на данном стайке характеризуется средним квадратическим отклонением о = 0,025 мм.
Определить количество годных и бракованных заготовок при условии, что настройка станка обеспечивает симметричное расположение кривой рассеяния относительно середины поля допуска.
Решение. В связи с тем, что за счет износа резца при обработке 300 шт. заготовок происходит непрерывное смещение вершины кривой рассеяния Гаусса вправо (в сторону увеличения размеров), считаем, что фактическое распределение размеров подчиняется функции а (0 и по условиям задачи соответствует схеме, изображенной на рис. 2.22, а.
3*	67
1.	Смещение центра группирования 21 кривой определяется увеличением диаметра обработанных заготовок за счет износа резца в период обработки п == 300 шт, заготовок,?, е. 21 = 2 U, где в соответствии с формулой (2.5) U = L/c (L4* Ьдоб)/Ю00^ Для заданных условий 1/0 = 6,5 мкм (табл. 2.1).
Путь резания L при обработке п = 300 шт. заготовок равен
, mDl
' ~ 1000s "
взнос
л-25-40
1000-0,08
• 300= 11 775 м;

= 0,083 мм;
1= U = 0,083 мм. Смещение центра группирования 21 = 0,166 мм. / о ляч
2.	По формуле (2.32) Ха = — = - ' - = 3,32. V
3.	Среднее квадратическое отклонение функции а (/) по формуле (2.35) оа= о]/1 + -у- 7.2 = 0,025 j/ 1 + -i- (3,32)3 = 0,054 мм.
4.	Поле рассеяния для a (t) при Ха = 3
со = 4,74оа = 4,74-0,054 = 0,256 мм
значительно превосходит поле допуска Т = 0,1 мм, поэтому при обработке всей партии заготовок без подналадки станка брак является технически неизбежным (рис. 2.22, о).
5.	Для определения количества вероятного брака вычисляется значение ta по формуле (2.50):
. ЛЬ _ 0.05
“ ~ оа ~ 0,054
= 0,926.
Количество годных деталей при = 3,0 и ta = 0,926 (см. Приложение 2) Q = 2-Ф (ta, /.а) = 2-0,2969 = 0,5938, т. е. 59,38 % от всей партии, или 178 шт. заготовок. Брак заготовок — 40,62 %, или 122 шт.
Из сопоставления результатов расчетов ожидаемого брака в примерах 2.2 и 2.4 при обработке одинаковых партий заготовок на равноценных револьверных станках (о = 0,025 мм) видно, что при одновременном влиянии случайных (по закону Гаусса) и переменных систематических погрешностей, формирующих распределение соответственно функции а (0, фактические погрешности обработки заготовок резко возрастают и брак увеличивается с 4,56 % (14 заготовок) при гауссовом распределении до 40 6 % (122 заготовки) при распределении по функции а (0.
Для уменьшения брака в последнем случае целесообразно заменить резец из твердого сплава Т30К4 более стойким резцом из эль-бора, имеющим относительный износ Uo = 3,0 мкм при V = = 550 м/мин и s = 0,06 мм/об (см. табл. 2.1).
В этом случае путь резания при обработке одной заготовки воз-
„	/г nDl л-25-40 со о \	/г -
растает	= 100ФОО6 = м/’ °Днако °бщии износ резца
„„ , й	’	,,	0,003(52,3-300 4- 1000)
при обработке партии снижается до I/ = ------------1—iooo --------=
= 0,0501 мм и / = 0,0501 мм. Соответственно уменьшаются: Ха =*
68
Л = -2g- = 2,00; сти = (т]Л+-p.2c= 0,025 j/l + -|-(2)a = -e 0,0386 мм и поле рассеяния <o = 4,74oo = 4,74-0,038 = .-o’, 181 мм.
При этом увеличиваются ta =	= 1,316 и Q =
= 2Ф((а, M = 2-0,3984, t. e. 79,7 % партии заготовок, или 239 шт., являются годными. Брак в этом случае составляет 20,3 %, или 61 шт., т е. становится в два раза меньше, чем при обработке резцом из твердого сплава.
Большие преимущества применения эльбора по сравнению с твердым сплавом связаны не только со значительным повышением точности обработки, но и с одновременным ростом ее производительности за счет увеличения скорости резания со 150 до 550 м/мин.
Довольно часто при обработке заготовок в условиях одновременного действия случайных и переменных систематических погрешностей настройку станка производят по первым пробным заготовкам без учета последующего износа резца и смещения центра группирования. При этом кривая распределения размеров обработанных заготовок располагается так, что ее начало совпадает с одной из границ поля допуска (см. рис. 2.22, б). В этом случае количество бракованных заготовок в процентах определяется площадью заштрихованного участка, расположенного с одной стороны за пределами поля допуска, т. е.
Сбр = 10,5-Ф(С Mb ЮО,	(2.53)
а количество годных заготовок Q — суммой площадей А = 0,5 и в = ф (ta, м, т-е-
Q= [0,5 +Ф (4, MbЮО.	(2.54)
Пример 2.5. Для условий (аналогичных примеру 2.4) при обработке заготовок резцом из эльбора определить количество годных и бракованных заготовок, если настройка станка обеспечивает совпадение начала кривой распределения с нижней границей поля допуска (см. рис. 2.22, б).
Решение. По результатам расчета примера 2.4 ки = 2,00; оа = 0,038 мм и поле фактического рассеяния размеров <о = 0,181 мм.
Из рис. 2.22, б следует, что
*0=7---£- = 0,1 --2221= 0,0095 мм; ta = А- =	= 0,25.
По Приложению 2 имеем Ф (tu, ).а) = 0,083. По формуле (2.53) получаем Qcp — = (0,5 — 0,083)-100 = 41,7 %, или 125 шт.
Из расчета следует, что при одностороннем расположении бракованных заготовок (см. рис. 2.22, б) общее количество брака значительно больше, чем при симметричном расположении (рис. 2.22, а), однако в первом случае имеется возможность исправить полученный брак путем дополнительной обработки. Например, валики с чрезмерно большими диаметрами (см. рис. 2.22, б) можно подвергнуть Дополнительному шлифованию.
Приведенные примеры расчета возможного брака заготовок при Различных условиях их обработки показывают, что одновременное
69

Рис. 2.23
Количество вероятного брака (заштрихованная площадь) при распределении размеров по закону Релея
влияние случайных и переменных систематических погрешностей приводит к резкому возрастанию количества возможного брака.
На практике для предотвращения появления брака принимают меры, способствующие уменьшению случайного рассеяния размеров (снижению о) за счет подбора более точного оборудования и соответствующих видов обработки, а также обеспечивают сокращение смещения центра группирования (т. е. величины I = U) в результате применения инструментов, изготовленных из материала повышенной стойкости (алмаза естественного и синтетического, балласа, карбонадо, эльбора, минералокерамики и др.).
Если переменная систематическая погрешность остается чрезмерно большой и может вызвать появление брака, вводятся периодические промежуточные поднастройки станка, компенсирующие смещение центра группирования. При необходимости обеспечения повышенной точности применяются автоматические подналадчики и адаптивные системы управления точностью.
В случае определения вероятного процента брака при распределении существенно положительных величин, которое подчиняется закону
Релея (закону эксцентриситета), методика расчета полностью совпадает с рассмотренными выше методами расчета при распределениях по закону Гаусса и функции a (t).
При распределении Релея, когда фактическое поле рассеяния превосходит поле допуска, т. е. со > Т, возможно появление бракованных заготовок (рис. 2.23).
Общую площадь FB, ограниченную кривой распределения, находят по интегральному закону распределения эксцентриситета
1 Г 2о0
= — J dR, 0 о
который после обычной подстановки величин i = xjc = 7?/о0
и
t == 0,655Z?/o/?
принимает нормированный вид
с 21
Ф(/) = | /е" 2 dt
о
(2.55)
(2.56)
(2.57)
(2.58)
и табулируется аналогично функции Лапласа (Приложение 3).
70
Вычисление количества годных и бракованных заготовок в процентах сводится к определению значений t и Ф (/) аналогично рассмотренным выше примерам 2.2—2.5.
Пример 2.6. Рассчитать вероятный процент брака по эксцентриситету R между двумя шейками ступенчатого валика, если допуск на биение равен 0,08 мм. В результате непосредственных измерений первых 25 шт. заготовок партии установлено среднее квадратическое отклонение эксцентриситета S/? = 0,009 мм.
Решение. Расчетное значение среднего квадратического отклонения эксцентриситета по формуле (2.15) и табл. 2.3
од = pSf{— 1,4-0,09 = 0,0126 мм.
Фактическое поле рассеяния значений эксцентриситета по формуле (2.24)
<о = 5,252-0D = 5,252-0,0126 = 0,0662 мм.
Допуск на эксцентриситет, равный половине допуска иа биение (Tr = 0,04 мм), значительно меньше фактического поля рассеяния возникновение брака. При х0 = 7\=0,04 мм и
(Tr< <о), поэтому вероятно .	0,655	0,655-0,04	„ __
0,0126 '“ 2,08
и в соответствии с Приложением 3 Ф (Z) = 0,8851, т. е. количество годных заготовок составляет 88,51 % и количество брака — 11,49 %.
Определение количества заготовок, требующих дополнительной обработки. В некоторых случаях при отсутствии на заводе станка требуемой точности или при необходимости выполнения срочного задания на высокопроизводительном автомате, но менее точном (по сравнению с револьверным станком), когда при обработке заготовок условие (2.45) не выполняется и брак заготовок является вероятным, а допустить появление окончательного брака заготовок нельзя по экономическим соображениям (сложные и дорогие исходные заготовки, дефицитный материал), настройку станка производят с заведомым смещением т вершины кривой распределения по отношению к середине поля допуска с таким расчетом, чтобы весь брак заготовок, получающийся на данной операции, можно было исправить путем Дополнительной обработки заготовок.
В этом случае необходимо при обработке валов вершину кривой Распределения сместить на некоторую величину т вправо от середины поля допуска (рис. 2.24, а), чтобы все валы, выходящие за пределы допуска, имели размер больше чертежного и после дополнительной операции шлифования могли стать годными. Аналогично этому
71
Глава 3
ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ НА ТОЧНОСТЬ И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ
ОБРАБОТКИ
Технологическая система станок—приспособление—заготовка—ин-струмент представляет собой упругую систему, деформации которой в процессе обработки обусловливают возникновение систематических и случайных погрешностей размеров и геометрической формы обра-батываемых заготовок. Вместе с тем эта технологическая система является замкнутой динамической системой, способной к возбуждению и поддержанию вибраций, порождающих погрешности формы обрабатываемых поверхностей (некруглость, волнистость) и увеличивающих их шероховатость.
S 3.1
ВЛИЯНИЕ МЕСТНОСТИ И ПОДАТЛИВОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ НА ФОРМИРОВАНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ ОБРАБОТКИ
При обработке в центрах на токарном станке гладкого вала (рис. 3.1) в начальный момент, когда резец находится у правого конца вала, вся нормальная составляющая Ру усилия резания передается через заготовку на задний центр, пиноль и заднюю бабку станка, вызывая упругую деформацию названных элементов (изгиб заднего центра и пиноли, отжатие корпуса задней бабки) в направлении «от рабочего». Это приводит к увеличению расстояния от вершины резца до оси вращения заготовки на величину t/3. б и к соответствующему возрастанию радиуса обработанной заготовки.
Одновременно с этим под действием Ру происходит упругое отжатие «/„нстр резца и суппорта в направлении «на рабочего», что, в свою очередь, влечет за собой увеличение расстояния от вершины резца до оси вращения заготовки, а следовательно, и радиуса обработанного изделия. Таким образом, в начальный момент диаметр обработанной поверхности фактически оказывается больше диаметра, установленного при настройке, на величину А = 2 (г/з. б + г/1Шстр).1 При дальнейшем обтачивании и перемещении резца от задней бабки к передней отжатие задней бабки уменьшается, но возникают отжатия передней бабки уп.б и обрабатываемой заготовки у^, которые также увеличивают фактический диаметр обработки (рис. 3.1). В некотором сечении А—А фактический диаметр обтачиваемой заготовки оказывается равным
^факЛ = Пиастр 4“ 2 (Уз. сл -|- Уп. б* + Дикстр + УзагА)'
В связи с тем что упругие отжатия элементов станка (кроме отжатия J/инстр суппорта и инструмента) изменяются по длине обработки заготовки, ее диаметр, а следовательно, и форма оказываются 74
переменными по длине. Погрешности размера и формы заготовки в данном случае равняются удвоенной сумме упругих отжатий в технологической системе. Упругие отжатия у определяются действующими в направлении этих отжатий усилиями и жесткостью технологической системы.
Жесткостью j технологической системы называется способность этой системы оказывать сопротивление действию деформирующих ее сил.
Если жесткость элементов станка очень велика, а жесткость обрабатываемой заготовки мала (обточка длинного и тонкого вала на
Рис. 3.1
Упругие отжатия технологической системы
массивном станке), то отжатия уп. в и у3. бмалы, а узМ значительно. В результате этого форма заготовки становится бочкообразной. Наоборот, при обработке массивной заготовки, дающей минимальный прогиб, на станке малой жесткости (уя. б и у3. б значительны) форма заготовки получается корсетообразной с наименьшим диаметром в середине заготовки.
Для вычисления погрешностей обработки, связанных с упругими отжатиями технологической системы, жесткость этой системы должна получить количественное выражение. А. П. Соколовским предложено выражать жесткость j, кН/м (кгс/мм), технологической системы отношением нормальной составляющей Ру, кН (кгс), силы резания к суммарному смещению у, м (мм), лезвия режущего инструмента относительно обрабатываемой поверхности заготовки, измеренному в направлении нормали к этой поверхности, т. е.
i = Ри/у.	(3.1)
Как следует из предыдущего: у = уСТ + упр + узаг + «/ипстр.
75
При определении жесткости перемещение всегда измеряется в направлении, перпендикулярном к обрабатываемой поверхности, и в расчет вводится нормальная составляющая усилия Ру резания, однако при этом одновременно учитывается влияние на у и остальных составляющих силы резания (Ру и Рх). Исследования показали, что упругое смещение у, рассчитываемое только в условиях действия Ру< всегда больше (а следовательно, численное значение жесткости системы меньше), чем при определении его с учетом одновременного действия составляющих Pz и Рх. В связи с этим при экспериментальном определении жесткости технологическую систему следует нагружать системой сил, близкой к эксплуатационной.
Жесткость системы можно также вычислить из уравнения
/ = ЬРу1Ьу,	(3.2)
где приращения нормальной силы &РУ и суммарного смещения Ду выражаются в тех же единицах, что и в формуле (3.1).
При нахождении жесткости технологической системы по значениям жесткости отдельных ее звеньев, а также при расчете погрешностей обработки, связанных с упругими отжатиями отдельных элементов системы, удобно пользоваться понятием податливости, которая численно равна величине, обратной жесткости.
Податливостью со технологической системы называется способность этой системы упруго деформироваться под действием внешних сил.
Податливость со, м/МН (мкм/кгс), можно численно выразить отношением смещения у лезвия инструмента относительно заготовки, измеренного по нормали к обрабатываемой поверхности, к составляющей силы резания, действующей в том же направлении, т. е.
со = у/Ру.	(3.3)
Как следует из определения,
со = 1//.	(3.4)
В связи с тем что сумма деформаций отдельных звеньев упругой системы, приведенных к точке и направлению, принятым при измерении жесткости, равна суммарной деформации системы (у = У1 + У2 + + ••• + Уп)> можно вычислить суммарную податливость системы со по формуле
СО = СО! + со2 + • • • + соп	(3.5)
и суммарную жесткость системы / по формуле
-L = J_ + -L+... +-L.	(з.б)
/	/1	/2	In
В случае обработки заготовки в центрах при положении резца в середине обрабатываемой заготовки жесткость станка можно найти из соотношения
/ст /суп 4 \/и. б /а. О
76
При положении резца на расстоянии х от передней бабки жесткость станка в сечении приложения резца определяется по формуле 1 т_==72- + (1“_гУт^+Ш2тт-	(3’8)
/СТ /суп \	* / /п. 6	\ * /	18. б
Отжатие резца, связанное с его прогибом h под действием силы резания, мало отражается на изменении фактического радиуса /факт обработки. При прогибе резца в несколько десятых долей миллиметра и при диаметре заготовок в несколько десятков миллиметров радиальное отжатие //ш1стр резца измеряется десятитысячными долями миллиметра и практически может не приниматься во внимание.
Отжатие узЗГ, зависящее от метода установки заготовок на станке, можно подсчитать по обычным формулам сопротивления материалов. Так, при обтачивании гладкого вала в центрах можно определять величину его прогиба как прогиба балки, свободно лежащей на двух опорах. Наибольший прогиб вала по его середине
!/заг = P,/3/(48£J),	(3.9)
а прогиб вала в сечении приложения резца, расположенном на расстоянии х от передней бабки,
Pylfl (I — X)2
Узаг ~ ЗЁЛ
(3.10)
где I — длина заготовки; Е — модуль упругости; J — момент инерции сечения заготовки (для круглого вала J = 0.05Z)4).
При положении резца в середине вала жесткость вала
/заг = 48EJ/13,	(3.11)
а при положении резца на расстоянии х от передней бабки станка /ааг = 3£Л/[х2(/-х)2].	(3.12)
Для гладкого вала, консольно закрепленного в патроне,
//заг = Pvla/(3EJ)	(3.13)
и
/заг = 3EJ/13,	(3.14)
а для гладкого вала, закрепленного в патроне и поддерживаемого центром (с учетом податливости заднего центра и упругости крепления в патроне):
Уваг = Pyla/(IOOEJ).	(3.15)
и
/заг= 100EJ/P.	(3.16)
в результате многочисленных исследований жесткости стан-ков. проведенных за последние годы, установлены фактические значения жесткости и податливости различных типоразмеров стан
* При выводе формул (3.7) и (3.8) учитывается только жесткость узлов станка, жесткость остальных элементов технологической системы (приспособления, инструмента, заготовки) принимается бесконечно большой.
77
ков и их отдельных узлов, которые позволяют производить все необходимые расчеты с высокой точностью.
Влияние жесткости и податливости системы на точность размеров и формы обрабатываемых заготовок можно выяснить на основе анализа схемы обработки, приведенной на рис. 3.2.
При настройке станка резец устанавливают в положение, при котором должна осуществляться обточка заготовки на некоторый радиус Гтеор (рис. 3.2, а). Однако в результате упругого отжатия узлов станка z/tT и отжатия заготовки узаг ось вращения заготовки смещается из положения Ot в положение О3, что приводит к увеличению фактического расстояния вершины резца до оси вращения заготовки. Одновременно в связи с прогибом и отжатием резца (рис. 3.2, б) расстояние его вершины до центра вращения заготовки дополнительно увеличивается на величину г/инстр.
Рис. 3.2
Влияние упругих отжатий на размер обрабатываемой заготовки: а — смещение оси заготовки из-за отжатий станка и заготовки; б — смещение вершины резца от центра заготовки в связи с отжатием и прогибом резца
Упругие отжатия в технологической системе приводят к увеличению фактического радиуса обточки заготовки (ЛфЙКТ = гТеор + + Уст + Узы + i/инстр) при соответствующем уменьшении фактической глубины резания ДО величины /факт = Geop — (Уст +
Узаг "Ь */инстр)-
Общее увеличение диаметра AD обрабатываемого изделия по сравнению с его теоретическим значением, установленным при настройке станка, равно удвоенному приращению фактического радиуса или удвоенному суммарному отжатию технологической системы, т. е.
Д7) “ 2 (Гфакт ^теор) — 2 (Уст Н- Узав “F f/инстр) = 2t/ = 2Рy/j.
Так как Pv = CySyPtxpHBn, то
ЛИ = 4CySyPtxPHBn (-Д- 4- -Д- + —!—).	(3.17)
При постоянной жесткости технологической системы по длине обработки, неизменном режиме обработки и постоянной твердости заготовки приращение диаметра по сравнению с теоретическим его значением сохраняется одинаковым по всей длине заготовки и не вызывает появления погрешности ее формы. Приращение диаметра остается постоянным для всех заготовок партии (систематическая погрешность) и может быть поэтому учтено при настройке станка соответствующим уменьшением настроечного размера.
78
При обработке заготовок малой жесткости (длинные и тонкие валы) их жесткость, а следовательно, и отжатие изменяются по длине заготовки [см. формулы (3.10) и (3.12)], что обусловливает появление систематической погрешности формы изделий.
Затупление режущего инструмента в процессе обработки заготовки приводит к приращению размера обрабатываемого изделия
не только вследствие размерного износа инструмента, на что указывалось ранее, но и в связи со значительным возрастанием нормальной состав-ляющей Ру силы резания. Как показали исследования, возникновение на задней поверхности инструмента площадки износа U3 сопровождается
Н кгс $61,0(100) 189,8 (80) 588,6(60) 392,9(90) 196,2(20)
0 0,1 0,2 0,3 0,4- 0,5 0,6 0,7 0,8U3,MH
Рис. 3.3 Зависимость от ширины площадки износа задней поверхности резца при точеиии стали 2X13
увеличением составля-
ющей Ру на величину &РУ, пропорциональную ширине U„ площадки износа (рис. 3.3).
При обработке стали 2X13 и алюминиевых сплавов приращение нормальной составляющей силы резания в связи с износом резца
АРу =
(3.18)
где Киз — коэффициент пропорциональности (табл. 3.1).
Таблица 3.1
Значения коэффициента пропорциональности Kus
S, мм/об	Значения Киз при <р = 45°, V = 10е, а — 8°									
	при обработке стали с 170 НВ					при обработке алюминиевых сплавов				
	при глубине					резания	/, мм			
	0,2	0.5	1.0	1,5	2,0	0,2	0,5	1.0	1,5	2,0
0,06	2,0	4,5	9,0	14,0	18,0	1,2	1,5	1,7	2,0	2,0
0,09	2,5	5,0	12,0	15,0	24,0	1,7	2,0	2,2	3,0	3,5
0,12	3,0	7,0	15,0	23,0	30,0	2,1	3,0	3,5	5,0	6,0
0,2	4,0	10,0	22,0	32,0	45,0	3,0	4,0	5,0	8,0	9,0
0,3	6,0	15,0	30,0	44,0	59,0	4,0	4,5	7,0	8,5	10,0
0,38	7,0	18,0	36,0	53,0	75,0	4,5	5,0	0,0	11,0	12,5
При увеличении ширины площадки износа задней поверхности резца до 0,7—0,8 мм составляющая Ру возрастает почти вдвое.
При изменении геометрии режущего инструмента вформулу (3.18) вносят дополнительно поправочные коэффициенты (табл. 3.2) и бна приобретает вид
APy = KBaK„KvKrVa.
(3.19)
79
Рост Рц вследствие затупления инструмента наиболее значителен при удалении больших сечений стружки (особенно при большой глу. бине резания) и минимален при снятии тонких стружек.
Данные табл. 3.2 показывают, что увеличение главного угла <р в плане и уменьшение радиуса г закругления вершины резца способствуют уменьшению приращения нормальной составляющей силы резания в связи с затуплением резца. В соответствии с формулой (3.2) вызывает возраст а-погреш-
Таблица 3.2
Значения поправочных коэффициентов
Параметр и коэффициент	Числовые значения				
Главный угол в плане у0 Передний угол, у° Радиус закругле-н'ия вершины резца г, мм Кг	45 1,0 5 1,2 0,5 0,95	60 0,72 10 1,0 0,75 0,98	70 0,49 15 0,85 1,0 1,0	80 0,26 20 0,7 1,25 1,03	90 0,15 25 0,56 1,5 1,08
увеличение &РУ соответствующее ние отжатия у и ности обработки.
В связи с тем что затупление режущего инструмента и расширение площадки износа на его задней поверхности происходит пропорционально длине пути резания, нормальная составляющая Ру силы резания и вызываемое ею отжатие у увеличиваются от заготовки к заготовке на одинаковую величину, порождая дополнительную переменную систематическую погрешность обработки.
Колебания твердости обрабатываемого материала значительно изменяют нормальную составляющую Ру, при обработке стали Ру находится к квадратичной зависимости от твердости по Бринеллю. Важно отметить, что приращение нормальной составляющей Д/\ при повышении твердости обрабатываемого материала в значительной степени зависит от номинального значения силы резания, а следовательно, и от режимов резания. Например, при повышении твердости обрабатываемого материала на 30 НВ приращение нормальной составляющей КРу, Н (кгс), силы резания составляет при точении в зависимости от подачи s (мм/об), указанной слева:
0,06
0,12
0,20
19,6 (2)
68,5 (7)
88,0 (9)
Таким образом, при обработке заготовок различной твердости для уменьшения колебаний силы резания, а следовательно, и непостоянства отжатий в технологической системе, что, в конечном счете, приводит к снижению погрешности обработки, чистовые проходы инструментов должны проводиться со снятием минимального сечения стружки.
Практически влияние твердости обрабатываемого материала на точность обработки весьма велико, так как согласно проведенным испытаниям рассеяние твердости материала иногда достигает 30— 80
7. min Уцсхзаг
Рис. 3.4
Влияние погрешности формы исходной заготовки на погрешность формы обработанной детали
40 % от среднего значения твердости. Например, твердость холоднотянутых прутков из стали 2X13 в пределах одного прутка изменяется на 5—20 НВ, причем неравномерность твердости наблюдается как Б продольном, так и в поперечном сечениях прутка. Колебания твердости материала указанных прутков в пределах партии, поставленной одним заводом-поставщиком, достигают 94 НВ, а при общем изменении твердости прутков — в пределах от 116 НВ до 210 НВ, т. е. на 80 %.
Твердость отливок, изготовленных из алюминиевого сплава под давлением, колеблется в пределах одной плавки от 42 НВ до 67 НВ (на 59 %), а при различных плавках — от 42 НВ до 77 НВ (т. е. на 83 %). Даже в пределах одной отливки из сплава АЛ2 твердость изменяется от 67 НВ до 77 НВ,т. е. на 15 %.
Из формулы (3.17) следует, что колебания твердости обрабатываемого материала влияют на приращение диаметра изделия.
При различной твердости отдельных заготовок податливость технологической системы порождает рассеяние размеров обработанных заготовок, а при колебании твердости в пределах одной заготовки вызывает погрешности геометрической формы деталей.
Колебания припуска на обработку заготовок, связанные с погрешностью размеров исходной заготовки, при работе на настроенных станках изменяют глубину t резания и приращение KD [см. формулу (3.17)1, что приводит к рассеянию размеров детали.
Погрешности геометрической формы исходной заготовки (рис. 3.4) обусловливают появление одноименных погрешностей формы обработанных заготовок. Погрешность Д„сх. заг исходной заготовки определяет приращение Kt глубины резания на отдельных участках обрабатываемой поверхности, а следовательно, и приращение КРУ нормальной составляющей силы резания и дополнительное отжатие Ку — KPylj технологической системы в сечении наибольшего диаметра 01;сх.заг исходной заготовки, которое вызывает соответствующее увеличение диаметра £>обр. заг обработанной заготовки. Погрешность формы обработанной заготовки
к
обр. заг
___ гхтпах	i-jmin ________9Лп
— х-/обр. заг АУсбр. заг —
Таким образом, погрешность исходной заготовки копируется на обработанной заготовке в виде одноименной погрешности меньшей величины (овальности исходной заготовки соответствует овальность
81
обработанной заготовки, конусности — конусность, биению — биение и т. д.).
Отношение одноименных погрешностей исходной заготовки ДИСх.Эаг. и обработанной заготовки Добр. заг принято называть уточнением е> которое определяется по формуле
® == Дисх. заг/Добр, заг-	(3.20)
Величина, обратная уточнению ky = Добр. заг/Дисх. Заг» носит название коэффициента уменьшения погрешностей [10].
В общем случае на основании формулы (3.17) и соотношения Дзаг = 2 (/max — /mln) МОЖНО НЗПИСЭТЬ
( __ Дцсх. наг _____(Лпах — /mln) /_	(3 2П
Добр, ваг ( fp _ Iхр ) с syptfBn ’
I max	°
Приняв в частном случае значение показателя хр = 1, получим следующее приближенное выражение уточнения:
g__ Дисх. заг __ i_____	/о 22\
Добр, заг СуЗУРНВП ’	'
из которого следует, что уточнение прямо пропорционально жесткости технологической системы.
После первого хода инструмента Добр, заг = Дисх. заг/® =
А , Дисх. загбрЗ РНВ
С== ^исх. ааг^у —	J	» ПОСЛе ВТОрОГО ХОДЯ Добр» заг '—3
Дисх "в' л	1.2 Дисх. заг (CyS РНВ )
~= Дисх. загКу —-----------------й’ после 1-ГО ХОДЯ
ь 1
л	_ Дисх. заг _д U _________Дисх. ваг (cys РНВ )
^обр. заг — J — с1исх. заг"у-------------;-------•	(O.Z.O)
е	/
Из формулы (3.23) следует, что после каждого хода резца погрешность заготовки уменьшается обратно пропорционально уточнению и жесткости технологической системы и прямо пропорционально коэффициенту уменьшения погрешностей.
В связи с тем что в большинстве случаев при обработке заготовок е> 1, а коэффициент уменьшения погрешности ky < 1, увеличение числа ходов инструмента значительно снижает погрешность заготовки и повышает точность обработки.
Необходимо заметить, что расчет по формуле (3.23) дает правильные результаты только до определенного числа ходов, когда погрешность Д| заготовки больше погрешности, вносимой влиянием данной технологической системы. Когда часть погрешности заготовки, переносимая с предыдущих операций (ходов), становится ничтожно малой, общая погрешность обработанной заготовки оказывается равной погрешности обработки на данном станке, которая не может быть снижена дальнейшим увеличением числа ходов инструмента.
В тех случаях, когда е < 1 (при малой жесткости технологической системы), каждый новый ход не только не повышает точность обраба
82
тываемой заготовки, но даже снижает ее. Примером этого может служить обработка на токарных и шлифовальных станках длинных о тонких валов.
На основании формул (3.8), (3.10) и (3.17) отжатие вала, установленного в центрах шлифовального или токарного станка, при нахождении шлифовального круга или резца на расстоянии х от переднего центра определяется по формуле

ЗЕЛ /суп J
(3-24)
Формула (3.24) дает значение смещения оси вала в любом его сечении, отстоящем на расстоянии х от переднего центра, при нахождении обрабатывающего инструмента в том же сечении вала.
Рис. 3.5
Схема увеличения отжатия упругой системы при многопроходном шлифовании с постоянной подачей круга на глубину (В. С. Корсаков)
tycml tycmz 1утз
у Нрактг
- Крантз
действ 3
у,п>уп>уг
у у tdeucmSf t действ 2
Формула (3.24) применима для случая шлифования вала при условии замены 1//суп величиной 1/'/ш. б (где /ш. б — жесткость шлифовальной бабки вместе с жесткостью шлифовального шпинделя) и соответствующем подборе постоянных.
Из формулы (3.24) следует, что при обработке вала в центрах жесткость технологической системы по длине обрабатываемой заготовки не остается неизменной; это вызывает соответствующие изменения величины отжатия технологической системы, а следовательно, и формы обработанной заготовки.
Даже при постоянном значении Ру (т. е. при постоянных Су, s, t и НВ) отжатие заготовки изменяется по длине, достигая наибольшего значения в середине заготовки, т. е.
* “ -С^’НеГ [3. (-2- + -2_) +	+ -Д-]. (3.25)
При обработке длинного вала малого диаметра из твердого материала и при малой жесткости станка и инструмента уточнение может оказаться меньше единицы (е < 1), а коэффициент уменьшения погрешностей — больше единицы (ky > 1). В таком случае при каждом новом ходе обточки (или шлифования) вала погрешность формы заготовки, равная ее удвоенному прогибу (т. е. Л£> = = 2z/max). не только не уменьшается, но даже возрастает [см. формулу (3.23)].
На рис. 3.5 показано, что при постоянной подаче шлифовального круга на глубину, т. е. при неизменной глубине шлифования, уста
83
новленной по лимбу станка (/уст = const), фактическая глубина /факт шлифования для второго хода будет больше установленной по лимбу станка на величину отжатия у' заготовки при первом ходе (так как на величину этого отжатия увеличивается действительный радиус после первого хода), т. е. /факт 2 = /уст + у'.
Увеличение /факт2, а соответственно и Ру при одновременном снижении жесткости заготовки после каждого хода приводит к возрастанию отжатия у" при втором ходе, т. е. у" > у'.
Аналогично этому при третьем ходе /фькт 3 = /Ф,.1КТ» + у" и У > У •
Таким образом, при каждом новом ходе с одинаковой подачей круга на глубину происходит нарастание отжатия заготовки (у'" > > у" > у'), а следовательно, и погрешности формы заготовки.
При каждом ходе соответственно изменяется и толщина /действ слоя металла, действительно снимаемого при каждом ходе. Очевидно, ЧТО /действ I > /действ 2 /действ 3-
Профессор В. С. Корсаков в работе [10] показал, что для уменьшения погрешности формы заготовки в этом случае необходимо каждый новый ход производить с меньшей глубиной резания, установленной по лимбу, на величину, превосходящую прогиб заготовки после предыдущего хода, т. е.
*УСТ П = /усТ П-1	0-1	(3.26)
где а — некоторая постоянная величина, зависящая от жесткости технологической системы.
Повышение точности геометрической формы и размеров неустойчивых валов при их шлифовании с выхаживанием основано на постепенном уменьшении фактической глубины резания при каждом ходе в связи с уменьшением упругих отжатий технологической системы, что полностью соответствует формуле (3.26).
Погрешность формы обрабатываемой заготовки в ее поперечном сечении зависит не только от фактической глубины резания в связи с погрешностью исходной заготовки, но и от колебаний нормальной составляющей Ру силы резания, обусловленных рядом причин.
Профессор Б. С. Балакшин в работе [1 ] указывает, что при обработке заготовки в центрах и передаче ей вращения с помощью одностороннего хомутика (рис. 3.6, а) суммарное усилие, действующее на заготовку и вызывающее отжатие ее вдоль резца (так называемая эквивалентная сила), в течение каждого оборота непрерывно изменяется, увеличиваясь или уменьшаясь на величину
др; = COS а 4-,	(3.27)
Р	Л
где ДР; — приращение эквивалентной силы в сечении действия резца в результате одностороннего приложения вращающего усилия; г — радиус обрабатываемой заготовки; р — расстояние поводка от центра вращения заготовки; I — расстояние сечения крепления хомутика до левого торца заготовки; х — расстояние резца до левого торца заготовки.
84
Изменение общей нормальной составляющей приводит к появлению погрешностей геометрической формы обработанной заготовки как в продольном, так и в поперечном сечении (рис. 3.6, б). При эТом поперечное сечение заготовки вместо окружности принимает форму, близкую к кардиоиде, диаметры которой во всех направлениях равны.
Дополнительные погрешности размеров и формы заготовок, связанные с действием одностороннего хомутика, соизмеримы с другими погрешностями обработки и, например, при Pz =» 780 Н (80 кгс), Л = 50 мм, р = 100 мм и жесткости переднего центра /п. ц = == 30 000 кН/м (3000 кгс/мм) достигают ДО = 2г/эЭГ = 0,026 мм 111.
Рис. 3.6
Схема действия сил при применении одностороннего хомутика (а) и форма заготовки, обработанной в центрах с односторонним хомутиком (О') (Б. С. Балакшин)
Производительность механической обработки находится в непосредственной связи с жесткостью технологической системы.
Основное уравнение жесткости (3.1) может быть представлено в виде формул:
//=2_РЙ = 2-Ср/^	(3.28)
или
y = apu = acpytxpsyr,	(3.29)
Поскольку отжатие упругой технологической системы численно равно приращению размера обрабатываемой заготовки по сравнению с установленным размером при настройке станка, т. е. погрешности этого размера (при обработке валов ДО = 2г/), а произведение txp£p характеризует производительность обработки, можно сделать вывод, что жесткость технологической системы определяет связь между точностью и производительностью обработки.
В формулах (3.28) и (3.29) податливость со = 1// выступает в качестве коэффициента пропорциональности между производительностью и погрешностью обработки.
Профессор А. П. Соколовский показал, что при токарной обработке заготовок быстрорежущими резцами за один ход с заданной
85
Рис. 3.7
Влияние жесткости технологической системы на колебание упругих отжатий Ду, и Дуг (Б. С. Балакшин)
точност! ю (с заданным уточнением) продолжительность обработки единицы поверхности, выраженная основным технологическим временем обработки, приблизительно обратно пропорциональна корню квадратному из жесткости системы j). Другими словами, повысив жесткость системы в четыре раза, можно вдвое уменьшить машинное время обработки. При обработке стали и чугуна твердосплавными резцами влияние жесткости на производительность еще сильнее. При чистовой обработке заготовок со снятием тонких стружек и подаче s = 0,14-0,2 мм/об продолжительность обработки примерно обратно пропорциональна жесткости технологической системы.
Приведенные данные показывают, что одним из основных способов повышения точности обработки является уменьшение упругих отжатий технологической системы посредством повышения ее жесткости.
Например, из графика, приведенного на рис. 3.7 [1 ], следует, что при обработке партии заготовок с использованием технологической системы, жесткость которой можно представить кривой 1, колебание PtJ в пределах \РУ вызывает изменение упругих отжатий на Л(/,. Эта величина и определяет часть погрешности обработки, связанной с упругими отжатиями системы. При обработке тех же заготовок на технологической
системе с меньшей жесткостью, характеризуемой кривой 2, такому же изменению Ру отвечает значительно большее поле изменения упругих отжатий Ду2, т. е. существенно большая погрешность обработки. Таким образом, переход от менее жесткой системы (кривая 2) к более жесткой (кривая 1) позволяет при одинаковых колебаниях Ру (т. е. при одинаковом колебании припуска или твердости заготовок и т. п.) получить меньшую погрешность обработки.
Жесткость технологической системы может быть повышена нижеследующими методами.
1.	Созданием жесткой конструкции и изменением размеров элементов технологической системы.
Жесткость станка в значительной степени определяется его конструкцией, типоразмером и состоянием.
Крупные массивные новые станки, как правило, отличаются повышенной жесткостью и обеспечивают высокую точность обработки.
Конструкция и состояние приспособлений и инструментов, в свою очередь, оказывают большое влияние на жесткость технологической системы. Увеличение числа кулачков в зажимных патронах; уменьшение вылетов и увеличение поперечных сечений оправок и державок для крепления заготовки и инструмента; применение зажимных устройств, создающих их плотное соприкосновение с тех
86
нологическими базами заготовок; повышение жесткости инструмента (особенно сборного) посредством сокращения его вылетов, применения твердосплавных державок и борштанг, создания жестких и точных опорных поверхностей под сменные пластинки инструментов; своевременный профилактический ремонт технологической оснастки, устраняющий возникающие зазоры в соединениях, уменьшают податливость технологической системы.
Повышение жесткости закрепления обрабатываемой заготовки путем увеличения размеров базовых поверхностей и мест закрепления заготовок, а также применение дополнительных опор и люнетов повышают общую жесткость технологической системы.
2.	Сокращением общего числа звеньев технологической системы. Податливость технологической системы [см. формулу (3.5) I определяется суммой податливостей входящих в нее звеньев, поэтому уменьшение числа звеньев снижает податливость и повышает жесткость [см. формулу (3.6) 1 системы. Сокращать следует не только число звеньев технологической системы, но и количество отдельных элементов системы (промежуточных приспособлений и державок), а также деталей станков и приспособлений. Уменьшение числа деталей достигается посредством замены нескольких мелких деталей одной сложной и массивной деталью; созданием конструкций станков, у которых корпуса шпиндельных бабок отливаются вместе со станиной, и другими способами.
3.	Повышением качества механической обработки деталей (особенно поверхностей стыков). При соприкосновении отдельных поверхностей деталей во время сборки их контакт происходит не по всей поверхности, а только по отдельным выступам, размеры которых определяются шероховатостью и волнистостью поверхностей.
При увеличении внешней нагрузки происходят деформация соприкасающихся выступов и постепенное нарастание фактической поверхности контакта. Величина сближения двух поверхностей стыков при воздействии определенной внешней нагрузки характеризует жесткость стыков. С уменьшением шероховатости и волнистости поверхностей жесткость стыков возрастает.
Определяя в этом случае жесткость £, Н/мм3 (кгс/мм3), поверхности стыка отношением удельного давления q к деформации (сближению) у, мм, поверхности:
I = qly,	(3.30)
К. В. Вотинов установил, что жесткость поверхностей чугунных деталей при различных видах обработки изменяется в очень широких пределах.
Ниже приведены значения жесткости Н/мм3 (кгс/мм3), поверхности стыка чугунных плоскостей при q = 0,984-1,67 МПа (0,014--4-0,17 кгс/мм2) для различных видов обработки.
Строгание................................... 470	(48)
Шабрение: нормальное.................................. 570	(58)
чистое.................................. 745	(76)
87
до блеска........................ 1330	(136)
Шлифование ......................... 1690	(172)
Притирка............................ 1960	(202)
Жесткость поверхностей стыков зависит не только от их шероховатости и волнистости, но и от механических свойств материалов соприкасающихся деталей и степени упрочнения (наклепа) металла поверхностных слоев.
Для повышения жесткосту стыков целесообразно применять методы обработки пластическим деформированием (накатка роликами и шариками), снижающие шероховатость и значительно увеличивающие микротвердость обработанных поверхностей.
4.	Повышением качества сборки. Жесткость изделий значительно меняется в зависимости от качества сборки, тщательности пригонки сопрягаемых поверхностей, величины зазоров в соединениях и предварительных натягов. Испытания показали, что жесткость четырех одинаковых по конструкции шпинделей револьверных станков типа 136, различавшихся только величиной з-азоров в отдельных соединениях, созданных при сборке, составила соответственно: 36 400 кН/м (3710 кгс/мм), 20 600 кН/м (2100 кгс/мм), 122 500 кН/м (12 500 кгс/мм) и 883 000 кН/м (90 000 кгс/мм).
Для получения высокой жесткости машин при их сборке необходимо создать определенные предварительные натяги. В неподвижных соединениях, поданным проф. Д. Н. Решетова, после приложения нагрузки натяг должен обеспечивать удельное давление не ниже 1,47 МПа (15 кгс/см2), а в подвижных соединениях — от 0,1 до 0,2 МПа (от 1 до 2 кге/см‘2).
5.	Правильным режимом эксплуатации станков. Жесткость элементов технологической системы является переменной величиной, зависящей от ряда факторов (рабочей температуры, количества и состояния смазки, характера приложения нагрузки и др.), связанных с условиями ее эксплуатации. Установлено [1], что средняя жесткость шпиндельной бабки круглошлифовального станка, составляющая при нормальной температуре неработающего станка 15 100 кН/м (1540 кгс/мм), через 30 мин разогрева на холостом ходу достигает 22 400 кН/м (2280 кгс/мм), т. е. возрастает на 44 %.
Для получения наивысшей точности обработки требуются совершенно стабильные условия эксплуатации, при которых жесткость технологической системы остается постоянной и достигает наибольшей величины. С этой целью перед началом точной обработки производят предварительный прогрев всех элементов технологической системы на холостом ходу, обеспечивают непрерывную и равномерную подачу смазки в трущиеся части, постоянство зажимных усилий всех механизмов и узлов системы и др.
6.	Систематическим надзором за оборудованием в процессе его эксплуатации с периодической проверкой жесткости всех элементов технологической системы. Жесткость технологической системы (в частности станков) в процессе эксплуатации уменьшается в результате воздействия различных производственных причин, вызывающих износ и разрегулировку элементов системы.
88
Приведенные ниже результаты обследования 150 одинаковых товарных станков с высотой центров 200 мм, работающих в механических цехах, свидетельствуют о больших колебаниях их жесткости.
Жесткость
j, кН/м2
До 10 000...................................
10 000—20 000 ..............................
20 000—30 000 ............................
30 000—40 000 ..............................
40 000—50 000 ..............................
Св. 50 000 .................................
Количество станков, %
16
42
22
10
7
3
За счет шабрения трущихся поверхностей и поверхностей стыков, регулировки соединений, устранения зазоров можно восстановить потерянную жесткость станков.
Методы определения жесткости станков до настоящего времени сохранили эмпирический характер, так как многообразие факторов, влияющих на жесткость технологической системы, не позволяет при современном уровне знаний установить ее расчетным путем.
Жесткость станка или отдельного узла обычно определяют при их нагружении статическими силами с помощью специальных динамометров; при этом индикаторными приборами измеряют отжатия узлов станка. Нагружение производится силами, аналогичными по своему направлению силам, действующим на данный узел при эксплуатации станка, однако в расчет жесткости вводятся только силы, нормальные к обрабатываемой поверхности.
При испытании дается ряд нагрузок, возрастающих от нуля до максимума, и по ним строится зависимость у = f (Ру). Затем производят разгрузку и строят соответствующую разгрузочную кривую.
Жесткость, определенная при нагружении системы статическими силами, дает возможность составить нормативы жесткости для станков разных типоразмеров и отдельных узлов; по этим нормативам можно проводить контроль качества новых станков, а также станков и узлов, выпускаемых из ремонта. Однако данные по статической жесткости недостаточно точны и дают при технологических расчетах заниженные результаты погрешностей обработки. Это объясняется тем, что при определении жесткости на неработающем станке не учитываются толчки и вибрации, которые в действительности увеличивают деформацию системы и снижают ее жесткость.
Более точные значения жесткости, пригодные для расчетов точности обработки, дает производственный метод. На испытуемом станке производят обработку ступенчатой заготовки или заготовки, имеющей биение при токарной обработке. На обрабатываемой поверхности заготовки создается уступ (биение), принимаемый в расчетах за погрешность Дисх.заг.
После обработки заготовки за один ход на обработанной поверхности тоже возникает уступ (биение), копирующий в уменьшенном виде погрешность исходной заготовки и представляющий собой погрешность Д0бр.3аг.
89
По величине уточнения е = Дисх. заг^обр. заг подсчитывают жесткость станка в динамических условиях (т. е. при его работе) по фор. муле
где К = Py/Pt.
При использовании этого метода следует применять заготовки и инструменты повышенной жесткости, исключающие влияние их отжатия.
Жесткость станков, установленная в статических условиях, обычно в 1,2—1,4 раза больше жесткости, определенной при работе станка производственным методом. При малой жесткости токарных станков соотношение между статической и динамической жесткостью (динамический коэффициент) увеличивается и может достигнуть значения /ст^/дии 2.
Простота и высокая точность производственного метода (особенно если испытания проводят при рабочих режимах) объясняют его широкое распространение. Однако он не может полностью заменить статический метод, полезный для контроля новых станков и отдельных узлов при их изготовлении.
$ 3.2
ВЛИЯНИЕ ДИН А МИН И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ НА ПОГРЕШНОСТИ ФОРМЫ И ВОЛНИСТОСТЬ ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ
ПОНЯТИЕ О ЗАМКНУТОЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ
При введении упругой технологической системы станок—приспособление—заготовка—инструмент в процессе обработки в состав ее элементов включаются и участвующие в общем действии рабочие процессы: резание и трение, а также процессы, протекающие в приводах, образуя в совокупности замкнутую динамическую систему (проф. В. А. Кудинов). При этом замкнутость динамической системы обусловливается взаимодействием упругой технологической системы с протекающими при обработке рабочими процессами. Так, например, изменение силы резания вызывает упругие перемещения инструмента относительно заготовки, что в свою очередь приводит к изменению толщины среза и новому изменению силы резания и т. д.
Важнейшими показателями качества динамической системы являются: устойчивость системы в процессе обработки, т. е. необходимая стойкость системы против самопроизвольного возникновения незатухающих вибраций (автоколебаний) и подрывания инструмента; статическая погрешность обработки из-за деформации системы; влияние на точность обработки, шероховатость и волнистость обработанной поверхности вынужденных колебаний от различных источников возмущений; погрешности обработки и достаточно быстрое затухание переходных процессов при изменении величины припуска, врезании и выходе инструмента и т. п.
90
В общем случае замкнутая динамическая система является Мпогоконтурной (рис. 3.8, а), в которой рабочие процессы взаимосвязаны друг с другом через упругую систему. При этом упругая система в свою очередь оказывает заметное влияние на протекание рабочих процессов. В конкретных условиях анализа бывает целесообразно ограничиться изучением наиболее важных для данного случая связей, приближенно рассматривая многоконтурную динамическую систему как эквивалентную одноконтурную замкнутую систему. При решении технологических задач, при анализе или расчете режимов резания и точности обработки удобно перейти к системе, состоящей из эквивалентной упругой системы (включающей в себя упругую технологическую систему, процессы трения и привод) и процесса резания (рис. 3.8, б).
cj	Б)
Устойчивость динамической системы. В общем случае устойчивой считается система, отклонение у которой от данного состояния (равновесия или движения по заданному закону) в переходном процессе, вызванном ограниченным по величине воздействием, со временем не возрастает (в реальной системе — уменьшается). Если это отклонение возрастает, то система считается неустойчивой. Нелинейность системы, т. е. изменение значений ее параметров с отклонением, приводит к тому, что отклонение не нарастает беспредельно и его увеличение прекращается по достижении некоторой величины.
При периодической неустойчивости устанавливаются колебания с некоторой амплитудой, носящие название автоколебаний (при резании и трении вибраций).
При апериодической неустойчивости происходит «подрывание» инструментов. При этом виде неустойчивости возникает нарастающее ио времени за счет деформации в одном направлении отклонение инструмента или заготовки. Инструмент все глубже врезается в металл, усилие резания нарастает, и в конце концов происходит поломка инструмента или заготовки.
Неустойчивость динамической системы чаще всего проявляется при обработке заготовок, вращающихся с частотой вращения, близкой к частоте собственных колебаний системы; при обработке тонкостенных заготовок; при использовании длинного и тонкого
91
центрового инструмента (сверла, зенкеры, расточные оправки) в условиях продольного изгиба.
Область устойчивости динамической системы определяется совокупностью значений параметров {режимов резания, геометрии « конструкции инструментов и технологической оснастки), при которых система заданной структуры является устойчивой. Эта область графически можег быть определена в пространстве с координатной системой, по осям которой откладываются параметры. На рис. 3.9 показана область устойчивости при растачивании в параметрах; глубина резания t и вылет I расточной оправки. Зона работы с параметрами t или I ниже разграничительной кривой определяет область
Рис. 3.9
Область устойчивости при растачивании
Рис. 3.10
Затухающие колебания устойчивой системы, вызванные врезанием резца
устойчивости системы, в пределах которой обработка протекает без появления вибраций.
Степень устойчивости системы определяет ее способность рассеивать энергию, вносимую внешним воздействием, и может быть оценена по быстроте затухания отклонений в переходных процессах. Чем больше степень устойчивости по данной частотной составляющей, тем быстрее затухает переходный процесс, тем меньше отклонения в установившихся динамических процессах (например, амплитуда колебаний). На рис. 3.10 показаны затухающие колебания устойчивой системы по нормали к поверхности резания, связанные с переходным процессом при врезании резца. Продолжительность затухания колебаний /зат характеризует степень устойчивости данной системы.
ВИБРАЦИИ ДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Изменения величины силы резания, имеющие место в процессе обработки; внешние толчки и сотрясения; дисбаланс вращающихся частей станка, приспособления, заготовки и инструмента и другие причины вызывают появление колебаний элементов динамической системы, сопровождающихся возникновением относительных перемещений режущих инструментов по нормали к обрабатываемой по-
92
рсрхности, которые порождают погрешности геометрической формы и волнистость обрабатываемых поверхностей.
Собственные (или свободные) колебания элементов упругой системы, вызываемые внешними причинами (резкое изменение нагрузки, толчки, вдары и т. п.), в реальных системах являются затухающими колебаниями. В системах с малой диссипацией (рассеянием энергии) ее влияние на частоту свободных колебаний незначительно и им можно пренебречь, рассматривая свободные колебания как гармонические, характеризующиеся частотой f (т. е. числом колебаний в одну секунду) или круговой частотой со, периодом колебаний Т (временем,
за которое совершается одно полное колебание) и амплитудой А колебания (т. е. максимальным отклонением колеблющейся массы от ее среднего положения). При этом для систем с одной степенью свободы частота f (Гц) определяется по формуле
f = МТ = <о/(2л).	(3.32)
При выражении частоты числом колебаний п в минуту имеем п = 60/ = 60<й/(2л) = 9,55(0.
(3.33)
Рис. 8.11
Кинематика гармонического колебания
Собственная частота колеба
ний системы представляет собой
ее важнейшую динамическую характеристику. При этом собственная круговая частота (круговая частота свободных колебаний) определяется выражением
(0

(3.34)
и для линейных систем не зависит от амплитуды колебаний, а полностью определяется характеристиками самой колеблющейся системы (жесткостью j и массой т).
В механике принято изображать гармоническое колебание проекцией кругового движения с угловой скоростью б) точки М по радиусу, равному амплитуде колебания А, на вертикальную ось у, соответствующую пути колебательного движения (рис. 3.11, а).
В этом случае путь у проекции конца радиуса от среднего положения до точки К определяется выражением
у = A sin ю/.	(3.35)
Первая производная этой формулы у' = <оЛ cos at выражает закон изменения скорости колебательного движения (3.11, б), а вторая производная определяет величину ускорения у" •=
—со2 Л sin at. После подстановки в последнее выражение значе-
93
ния у по формуле (3.35) закономерность изменения ускорения колебательного движения приобретает вид
у" = —^у,	(3.36)
показывающий, что ускорение движения пропорционально отклонению колеблющегося тела от среднего положения и направлено в противоположную сторону (рис. 3.11, в). Под влиянием сопротивления среды (силы трения, рассеяние энергии при демпфировании) собственные колебания в реальных системах постепенно затухают.
Когда па систему действуют внешняя периодическая возбуждающая сила (прерывистое резание, дисбаланс вращающихся частей, неравномерность снимаемого припуска); колебания, передаваемые извне (от расположенных поблизости сильно вибрирующих машин); колебания, вызываемые дефектами передач и приводов станков и т. п., в системе развиваются вынужденные колебания.
Круговая частота вынужденных колебаний сов равна или кратна частоте возмущающей силы (частоте внешнего воздействия), которая может быть подсчитана заранее. Интенсивность вынужденных колебаний, выражаемая величиной их амплитуды Дв, зависит от соотношения частот собственных и вынужденных колебаний. Когда частота вынужденных колебаний «в становится равной частоте собственных колебаний (ос и <ов/е>с = 1, наступает резонанс, при котором амплитуда вынужденных колебаний Дв особенно велика. В реальных системах наибольшее значение амплитуды вынужденных колебаний имеет место в случае, когда частота вынужденных колебаний близка, но несколько меньше частоты собственных колебаний системы. Для нормального протекания процесса механической обработки в системах с одной степенью свободы обычно соблюдается условие 0,7 > > <j)b/<jl>c > 1,3. Для того чтобы вывести систему из состояния, близкого к резонансу, и для выполнения приведенного условия часто бывает достаточно изменить частоту вращения обрабатываемой заготовки или инструмента (шпинделя расточного станка, фрезы).
Автоколебания. При механической обработке заготовок резанием и при трении подвижных соединений большое значение имеет возникновение автоколебаний, не связанных с воздействием внешних периодических сил.
В общем случае автоколебания—это незатухающие колебания неконсервативной системы, установившаяся амплитуда и частота которых определяются свойствами самой системы (неконсервативной называется система, в которой при колебаниях происходит рассеяние энергии, обусловленное упругим несовершенством материалов элементов или трением в неподвижных соединениях, т. е. так называемым конструкционным демпфированием).
Автоколебания являются устойчивыми колебаниями с частотой, определяемой свойствами колебательной системы, близкой к одной из частот собственных колебаний упругой технологической системы-Автоколебания системы начинаются одновременно с началом процесса резания и прекращаются после отвода инструмента. Это свидетель-94
Рис. 3.12
Колебания динамической системы при точении (И. С. Амосов)
ctneyem о том, что причиной возникновения автоколебаний является сам процесс резания.
Таким образом, при автоколебательном процессе переменная сила, поддерживающая колебательное движение, создается и управляется самим движением и при его прекращении исчезает. При наличии колебаний в автоколебательных системах неколебательный источник энергии производит переменное действие, поддерживающее стационарный колебательный процесс. При этом переменное воздействие обеспечивает приток энергии, покрывающий ее потери при колебаниях. Первоначальное зарождение колебаний в реальных системах связано с наличием у них большого числа степеней свободы и переменной жесткости элементов систем в различных направлениях осей координат. В устойчивых системах колебания, вызванные случайными причинами, быстро затухают, в то время как в автоколебательных системах они (как указывалось выше) поддерживаются самим колебательным движением.
В своих работах И. С. Амосов показал, что в процессе возникновения колебаний при точении центр обрабатываемого вала и вершина резца совершают движения по кривым, близким к эллипсам, наибольшие оси которых развернуты друг относительно друга (в соответствии с различием направлений главных
задней бабок и суппорта токарного станка). Совпадающие повре,-мени положения вершины резца и центра обрабатываемого вала и соответствующие им значения мгновенных сил резания на рис. 3.12 отмечены одинаковыми номерами.
При последовательном движении вала и вершины резца отточек 1 до точек 5 расстояние между ними увеличивается, что приводит к уменьшению истинной толщины среза и соответствующему уменьшению мгновенной силы резания (пунктирная линия на рис. 3.12). При положениях центра вала и вершины резца в точках 5 силы резания становятся меньше сил упругости, поэтому вал и резец начинают сближаться, проходя через точки 6—8. В результате этого толщина среза увеличивается и силы резания вновь возрастают. В дальнейшем цикл повторяется. Периодические приращения сил резания можно рассматривать, как периодические внутренние силы, которые могут поддерживать и усиливать колебательное движение.
Когда скорость резания больше скорости колебаний, что обычно имеет место при низкочастотных вибрациях, возникающих в динами
осей жесткости передней и
95
ческих системах при обработке резанием, движение вершины резца описывается уравнениями:
У = Аи	sin ю/	(3.37)
и	’
z — Аг sin	(со/ —	ср),	(3.38)
где Ау, Аг — амплитуды перемещений вершины резца по соответствующим осям координат; со — частота колебаний; ср — сдвиг фаз колебаний по разным осям.
В общем случае траектория движения вершины резца приближается к эллипсу, однако при разных значениях сдвига фаз <р она может приобрести различный вид (рис. 3.13).
Рис. 3.13
Изменение траектории движения вершины резца при различном сдвиге фаз ф
При движении резца по направлению действия силы резанию она оказывается больше, чем при его движении навстречу действию силы резания. Неоднозначность изменения силы резания по перемещению является непременным условием существования автоколебаний. Изменения силы резания подталкивают систему в такт колебаний, что приводит к нарастанию их амплитуды до величины, соответствующей ограничениям энергетическими соотношениями.
Во всяком колебательном процессе участвуют силы сопротивления (силы трения, особенно в стыках деталей системы, и внутреннее сопротивление, связанное с рассеянием энергии), поглощающие за каждый цикл определенное количество энергии. Если эти затраты энергии не восполняются, то колебания затухают (как это и происходит с собственными колебаниями, вызванными внешним источником). Автоколебания поддерживаются за счет разности работы резания, совершаемой резцом при его врезании и отталкивании.
При обтачивании буртика шириной В врезанием резца (рис. 3.14, а) в условиях свободного резания (ширина резца больше ( ширины обтачиваемого буртика) при отсутствии вибраций нормальное усилие резания Pv определяется выражением
Pv = CP'Bs‘,l	(3.39)
где Ру — нормальная составляющая усилия спокойного резания (без вибраций); СР[) — коэффициент, зависящий от обрабатываемого материала и геометрии резца; В — ширина обтачиваемого буртика; s — подача, мм/об, принимаемая в данном случае равной толщине среза; q — показатель степени, который приближенно равен 0,75.
96
При возникновении колебаний толщина среза изменяется и его мгновенное значение определяется выражением s—у, где s — номинальная подача, а у — радиальное отклонение взаимного расположения резца и обрабатываемой заготовки от положения равновесия при обработке без вибраций. При обработке без вибраций достигается равновесие силы резания и сил упругости и значение у принимается равным нулю. При колебаниях в момент врезания резца значение у при расчетах принимается отрицательным, а при отталкивании — положительным. В связи с этим при наличии вибраций усилие ре-
Рис. 3.14
Изменение радиальной составляющей силы резания Р при наличии колебаний динамической системы (б) при обтачивании узкого буртика широким резцом (а) (А. П. Соколовский)
зания Ру"" становится переменным и его мгновенное значение определяется из выражения
рГ=СРуВ (S - у)’ = CPBsq (1 - у = Ру (1 -	. (3.40)
Для малых колебаний, когда отношение y/s мало и в процессе колебаний резец не выходит из металла, можно приближенно принять:
РГ = Ри~гу,	(3.41)
где величина г = qPyts может рассматриваться в качестве постоянного коэффициента.
Формула (3.41) показывает закономерность изменения радиальной составляющей Р™" усилия резания при наличии колебаний динамической системы в зависимости от величины сближения или отдаления у взаимного расположения резца и обрабатываемой заготовки по сравнению с состоянием равновесия, характерного Для резания без вибраций (пунктирная линия на рис. 3.14, б). Здесь ордината Ру соответствует значению усилия резания в условиях равновесия, т. е. без вибраций, определяемого формулой (3.39).
Формула (3.41) была бы справедлива в случае ее однозначности, т. е. если бы каждому значению у соответствовало бы вполне определенное значение Р*"". Однако в этом случае сила Ру"а не могла бы поддерживать колебательный процесс, так как ее работа за полный Цикл колебания (врезание и отталкивание резца) была бы равна нулю
4 Маталин А. А.	97
и под влиянием сил сопротивления колебания превратились бы в затухающие. В действительности (как показали экспериментальные исследования) в условиях колебательного процесса при снятии одц. наковой толщины среза сила резания при врезании резца меньше чем при его отталкивании. Это связацо со следующими причинами:
1.	При врезании резец в процессе углубления в металл встречает свежие, слабо деформированные и ненаклепанные слои; при движении отталкивания резец снимает слои повышенной твердости что ведет к повышению усилия резания.
2.	В процессе колебаний (как указывалось выше) толщина среза все время изменяется. При врезании происходит переход от меньших толщин среза к большим, а при отталкивании, наоборот, от больших к меньшим. Изменение картины пластической деформации происходит не мгновенно, а с определенным опозданием. В связи с этим в каждый момент пластическая деформация при врезании соответствует некоторой меньшей, а при отталкивании — большей толщине среза, чем та, которая фактически существует. В соответствии с этим усилие резания при отталкивании оказывается больше, а при врезании меньше, чем усилие резания при работе без вибраций со снятием той же толщины среза.
3.	Скорость врезания увеличивает, а скорость отталкивания уменьшает относительную скорость скольжения стружки по передней поверхности инструмента, в результате чего сила трения и, следовательно, усилие резания при врезании меньше, чем при отталкивании (так как при повышении скорости скольжения коэффициент трения уменьшается).
Влияние запаздывания протекания пластической деформации (пункт 2) и изменения скорости скольжения (пункт 3) проявляется особенно сильно при значительной величине скорости колебаний у', а точнее — при увеличении отношения у'/v скорости колебаний у' к номинальной скорости резания v. Отношение у'tv оказывает непосредственное влияние на величину мгновенной силы резания. Все это приводит к изменению значения динамической силы резания Ру"" (т. е. нормальной составляющей силы резания при наличии колебаний) на некоторую величину АРЙ.
При этом при врезании резца < 0, а при отталкивании АРЙ >0 (рис. 3.14, б). В результате этого формула (3.41) приобретает вид
Р™ = Р„-Гу + ЛРи.	(3.42)
Влияние дополнительного члена формулы (3.42) АРЙ, зависящего от отношения y'/v, предопределяет различную величину мгновенной силы и работы резания при врезании и при отталкивании резца. При этом разность работы резания при врезании и при отталкивании резца выражается площадью, ограниченной кривой изменения силы резания в пределах цикла колебания (рис. 3.14, б). Эта работа затрачивается на поддержание колебаний, возникающих в динамической системе в процессе резания; при внедрении резца в не-наклепанный «чистый» металл, не подвергавшийся предшествующей 98
обработке при свободном точении врезанием; при нарезании резьбы за один ход резца; при врезании шлифовального круга и т. п.
При повторных ходах режущего инструмента по обрабатываемой поверхности, имеющей волны, возникшие при предшествующей обработке с вибрациями (поперечная подача врезанием резца или шлифовального круга в волнистую поверхность изделия или точение с продольной подачей, когда на поверхности резания сохраняются подобные волны), т. е. в случаях, характерных тем, что обрабатывающий инструмент идет по волнистому «следу» предшествующего инструмента, толщина срезаемого слоя непрерывно изменяется; это обстоятельство вызывает соответствующие изменения усилия резания, что в свою очередь увеличивает н поддерживает вибрации, возникшие в динамической системе. Таким образом, вибрации, возникающие в динамической системе при резании, обусловливаются не только «чистым» автоколебательным процессом, но в их возбуждении участвует одновременно и внешняя возбуждающая сила, порождающая вынужденные колебания (в первую очередь при обработке «по следу»).
Частота колебаний. Колебательный процесс в динамической системе в первую очередь характеризуется круговой частотой ш и амплитудой А колебаний. При автоколебаниях системы с одной степенью свободы частота колебаний определяется выражениями: круговая частота
® = 1Л/+ О/"1'»	(3.43)
частота в герцах
= <3“>
где
г = <7 —= <?Ср -Д-=-0,75СР -А-.	(3.45)
S	У <7	у s0-25	'	>
Формулы (3.44) и (3.45) показывают, что частота колебаний f возрастает с увеличением ширины среза В и жесткости технологической системы /', уменьшается при увеличении массы т и толщины среза s, а также зависит от геометрии инструмента и свойств обрабатываемого материала, учитываемых коэффициентом Сгу. При этом зависимость частоты от толщины среза проявляется довольно слабо.
При обработке резанием различают низкочастотные вибрации (порядка десятков и сотен колебаний в секунду), когда вибрирует весь станок и на обработанной поверхности образуются глубокие волны, и высокочастотные вибрации, достигающие 1500—4000 колебаний в секунду, обычно связанные с колебаниями инструментов. Вибрации высокой частоты чаще всего возникают при больших скоростях резания (свыше 150 м/мин) при работе резцами с большим вы четом и значительным износом по задней поверхности и в случаях недостаточно жесткого их закрепления в резцедержателях.
Амплитуда колебаний. В технологической системе амплитуда колебаний, возникающих в процессе обработки резанием и определяю-
4*
99
щих интенсивность вибраций, устанавливается в зависимости от динамической характеристики системы, свойств обрабатываемого материала и условий резания. При этом в зоне сравнительно низких скоростей резания с увеличением скорости до некоторого значения, зависящего от характеристики системы и от ширины среза, амплитуда колебаний быстро возрастает (рис. 3.15, а), а при дальнейшем
О,О'/ 0,06 0,08 8,мм/о5
повышении скорости снижается (рис. 3.15, б). Некоторое увеличение амплитуды на самых больших скоростях резания (400—450 м) объясняется недостаточной балансировкой станка и появлением дополнительных вынужденных колебаний. Увеличение частоты <о = 2л/ и повышение жесткости / уменьшают амплитуду А. Увеличение сил сопротивления колебаниям также уменьшает амплитуду и в некоторых случаях делает их появление невозможным. Увеличение ширины среза В (что при продольном обтачивании и растачивании равноценно увеличению глубины резания t) увеличивает амплитуду колебаний (рис. 3.15, а). Увеличение толщины среза (при продольном обтачивании — увеличение подачи s, мм/мин) приводит 100
к уменьшению амплитуды (рис. 3.15, в), поэтому при снятии толстых стружек процесс резания протекает спокойнее, чем при снятии тонких. Заметное влияние на амплитуду колебаний оказывают свойства обрабатываемого материала и геометрии режущего инструмента. Так, при уменьшении углов в плане <р и и при увеличении радиуса г закругления вершины резца, вызывающих увеличение ширины
Рис. 3.16
Влияние геометрии инструмента на амплитуду колебаний при растачивании: 1 — сталь 40Х, о = 160 м/мнн; 2 — сталь 20Х, v = 300 м/мин; 3 — чугун СЧ 12-28, о = 100 м/мин
среза В и рост нормальной составляющей усилия резания Ру, амплитуда А колебаний увеличивается (рис. 3.16, а—в). Увеличение отрицательных передних углов при тонком растачивании стали и чугуна приводит к росту усилий резания и амплитуды колебаний, однако увеличение положительных передних углов, ослабляющее режущее лезвие и облегчающее врезание резца в заготовку при вибрациях а увеличивающее разность сил врезания и отталкивания, приводит при обработке стали к увеличению амплитуды (рис. 3.16, г). При обработке чугуна, обладающего более высокой демпфирующей способностью, амплитуда колебаний (при прочих равных условиях) меньше, чем при обработке стали (рис. 3.16).
ВЛИЯНИЕ ВИБРАЦИЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ НА ТОЧНОСТЬ И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
Вибрации технологической системы, возникающие при обработке заготовок, оказывают большое влияние на точность обработки и стойкость режущего инструмента. При появлении колебаний режущего инструмента относительно обрабатываемой поверхности его стойкость снижается пропорционально квадрату амплитуды и на заготовке возникают погрешности формы поперечного сечения (овальность, огранка), образуется волнистость и увеличивается шероховатость обработанной поверхности. При образовании волнистости, непосредствено связанном с вибрациями динамической системы и с увеличением колебаний, а также с возникновением дисбаланса
101
вращающихся элементов системы, высота волн W2 (рис. 3.17, а, б) и шероховатость обработанной поверхности увеличиваются (рис. 3.18).
Возникшие вибрации по достижении определенных величин амплитуд дополнительно усиливаются в связи с нестабильностью сил
Рис. 3.17
Зависимость высоты W. волнистости обработанной поверхности от частоты и амплитуды колебаний (а) и от дисбаланса шлифовального круга при плоском шлифовании «7):
1 ~ vsar ~ г м/мин; 2 — озаг — 5 ы/мин; 3 — пзаг = 10 м/мии; 4 — 1>заг = 15 м/мии
резания при врезании и отталкивании режущего инструмента, а также в результате изменения истинных углов резания при относительных колебаниях элементов системы, что приводит к изменениям силы резания и вызываемых ею перемещений. При малой жесткости технологической системы указанные источники могут не только усиливать возникшие колебания, но и сами могут стать причиной их возникновения.
Рис. 3.13
Влияние амплитуды колебаний шлифовального круга на шероховатость обработанной поверхности при круглом доводочном шлифовании
В связи с вредным воздействием вибраций динамической системы на точность и производительность обработки и стойкость режущего инструмента при проектировании технологических процессов и технологической оснастки ставится задача полного устранения опасности возникновения колебаний или сведения их к допустимому минимальному уровню посредством повышения устойчивости динамической системы. Наиболее действенным средством борьбы с вибрациями и повышения виброустойчивости динамической системы является увеличение жесткости всех элементов упругой системы, приводящее к повышению точности обработки и стойкости режущего 102
инструмента (рис. 3.19). Это достигается повышением жесткости и точности металлорежущего станка и его элементов (увеличением общей жесткости конструкции, жесткости задней бабки и суппорта, устранением излишних зазоров в подвижных соединениях, особенно в переднем подшипнике шпинделя, устранением овальности шеек шпинделя, обеспечением плотности стыков в неподвижных соединениях и т. п.), а также жесткости приспособлений и крепления в них обрабатываемых заготовок, применением люнетов и повышением
J, кН/м
Рис. 3.19
Влияние жесткости технологической системы на период стойкости круга 7\ шероховатость и волнистость 1У2 шлифованной поверхности
жесткости конструкции режущего инструмента и его крепления на станке. При изменении жесткости в широких пределах возможны случаи, когда увеличение жесткости, повышая устойчивость по отношению к низкочастотной форме возмущенного движения, приводит к появлению неустойчивости высокочастотной формы. Например, уменьшение вылета расточной оправки малого диаметра устраняет низкочастотные вибрации с частотой из-гибных колебаний. Однако при этом облегчается возникновение высокочастотных вибраций с частотой крутильных колебаний. Дальнейшее уменьшение вылета приводит к устранению и высокочастотных колебаний.
Важным средством предотвращения вибраций является правильное назначение геометрии режущего инструмента (увеличение углов
в плане до 45°, создание виброгасящих фасок и лунок) и (в некоторых случаях) работа перевернутыми резцами, а также установка попарно нескольких инструментов, взаимно уравновешивающих колебания сил резания и т. п. Очень важным средством предотвращения появления вибраций является назначение режимов резания в пределах запаса устойчивости упругой системы по скорости (с целью обеспечения скорости скольжения стружки вне зоны падающей характеристики трения в зависимости от скорости), по подаче, глубине резания и ширине среза, В частности, при обдирочном и получистовом точении увеличение подачи обычно способствует устранению низкочастотных вибраций.
Увеличение глубины резания (как правило) вызывает появление и усиление вибраций.
Подбор оптимальных смазочно-охлаждающих жидкостей, уменьшающих трение в зоне резания, а также трение стружки и передней поверхности инструмента, существенно снижающих уровень усилий резания, в свою очередь может значительно уменьшить интенсивность колебаний динамической системы.
При обработке неустойчивых заготовок и при использовании длинных расточных борштанг малой жесткости и резщов с большим выле-
103
том часто применяются разнообразные гасители колебаний (гидравлические, механические, динамические одно- и многомассовые виброгасители ударного действия и т. п.), поглощающие энергию колебательного движения и снижающее интенсивность вибраций.
$ 3.3
ПОГРЕШНОСТИ
МНОГОИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ И МНОГОШПИНДЕЛЬНОЙ
ОБРАБОТКИ
Одним из важных направлений совершенствования современного машиностроения является концентрация технологических операций посредством применения многоинструментной и многошпиндельной обработки, существенно повышающей производительность и эко-
рис. 3.20
Возникновение погрешностей формы ров при многорезцовой обработке (В. саков)
и разме-
С. Кор-
них составляющих усилий резания
номичность производства. В связи с сокращением числа установов и исключением соответствующих погрешностей установки погрешность взаимного расположения обрабатываемых поверхностей (как правило) снижается, однако в этом случае могут возникнуть некоторые специфические погрешности, связанные с упругими деформациями и динамикой технологической системы, снижающие точность размеров и формы обрабатываемых поверхностей.
Так, например, при многорезцовой обработке ступенчатого вала с одновременным началом и одновременным окончанием работы всех резцов наладки (рис. 3.20, а) упругие отжатия передней (у„ б) и задней (у3 б) бабок станка под действием равнодействующей Rv нормаль-
ь
от
каждого
резца вызы-
вают смещение и поворот оси обрабатываемой заготовки на угол а (рис. 3.20, б), что приводит к появлению погрешности диаметра и формы каждой обрабатываемой шейки (рис. 3.20, в). При этом погрешности диаметров и формы обработанного вала уменьшаются на его левой стороне. Расчет численных значений этих погрешностей
производится на основе определений отжатий передней и задней ба-
004
бок станка (по приведенным выше формулам) и линейных размеров обрабатываемого ступенчатого вала.
При многорезцовой обработке ступенчатых отверстий на алмазнорасточных станках вибрации одновременно работающих резцов
Рис. 3.21
Влияние многорезцовой обработки иа точность расточенных отверстий в стали 45: а—многорезцовая борштанга для растачивания трехступенчатого отверстия с v ~ 180 м/мин; s =0,06мм/об;
/ — 0,1 мм; б —некруглость; в—шероховатость;
I — работает резец 3; /7 — одновременно работают резцы 3 н 2; III — одновременно работают резцы 3 и /; /V — одновременно работают резцы 3, 2, I
взаимодействуют друг с другом, увеличивая общую погрешность и шероховатость обработки. При этом величина погрешностей изме
няется в зависимости от количества и взаимного расположения одновременно работающих резцов (рис. 3.21).
При многошпиндельной обработке шероховатость, некруглость и нецилиндричность отверстий, растачиваемых на алмазно-расточных станках, возрастают с увеличением числа одновременно работающих шпинделей (рис. 3.22). В этом случае при существующей конструкции привода главного движения алмазнорасточных станков каждый шпиндель, дополнительно вступающий в работу, снижает точность растачивания в среднем на 10—15%.
Приведенные примеры показы;
шпинделей	шпинделей
Рис. 3.22
Влияние количества одновременно работающих щп ин делен на погрешность по цилнндричности (а) и шероховатость (tf) растачиваемых отверстий:
I — сталь 45; II — чугун СЧ 21-40;
III — алюминиевый сплав АЛ-9
вают, что при организации вы-
сокопроизводительной многоинструментальной и многошпиндельной обработки необходимо учитывать возможность возникновения дополнительных погрешностей, специфических для конкретных условий проведения подобных операций, которые связаны с динамикой технологической системы и ее жесткостью.
Глава 4
ОБЕСПЕЧЕНИЕ
ТОЧНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
Теоретические расчеты и экспериментальные исследования систематических и случайных погрешностей обработки и большой фактический материал по точности различных методов обработки, накопленный за последние годы, дают возможность предварительно рассчитать ожидаемую точность и вероятное количество брака при разных вариантах технологических процессов, решить задачу управления точностью проектируемых технологических процессов и снизить возникающие при обработке погрешности до уровня, предписанного требованиями чертежей.
Задача управления точностью обработки и снижения ее погрешностей решается по нескольким направлениям:
1)	точностные расчеты и осуществление первоначальной настройки станков, обеспечивающие минимальные систематические погрешности, которые связаны с настройкой, а также реализация наибольшего периода работы станков без поднастройки;
2)	расчеты режимов резания с учетом фактической жесткости технологической системы, при которых обеспечивается требуемое уточнение заготовок в процессе их обработки;
3)	точное управление (ручное и автоматическое) процессом обработки и своевременная точная поднастройка станков.
§
МЕТОДЫ НАСТРОЙКИ СТАНКОВ И РАСЧЕТЫ НАСТРОЕЧНЫХ РАЗМЕРОВ, ПОГРЕШНОСТЕЙ НАСТРОЙКИ И РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ
Для осуществления технологической операции необходимо произвести предварительную наладку (настройку) станка. Наладкой (настройкой) называется процесс подготовки технологического оборудования и технологической оснастки к выполнению определенной технологической операции (ГОСТ 3.1109—82).
В условиях единичного и мелкосерийного производства, когда требуемая точность изделия достигается методом пробных ходов и примеров, задачами настройки являются:
1) установка приспособления и режущих инструментов в положения, обеспечивающие наивыгоднейшие условия резания (теоретически правильные статические и динамические углы резания), хорошие условия стружкообразоваиня, высокую производительность обработки, стойкость режущего инструмента и требуемое качество обрабатываемой поверхности;
2) установка режимов работы станка.
При крупносерийном и массовом типах производства, когда требуемая точность достигается методом автоматического получения
106
размеров на настроенных станках, к указанным двум задачам настройки добавляется третья — обеспечение точности взаимного расположения режущих инструментов, приспособления, кулачков, упоров, копиров и других устройств, определяющих величину и траекторию перемещения инструментов относительно обрабатываемого изделия.
Третья задача, решение которой в значительной степени определяет точность обработки, является наиболее сложной и ответственной, требующей проведения специальных расчетов.
В настоящее время применяются следующие методы настройки станков: статическая настройка; настройка по пробным заготовкам с помощью рабочего калибра и настройка с помощью универсального мерительного инструмента по пробным заготовкам.
СТАТИЧЕСКАЯ НАСТРОЙКА
Метод статической настройки заключается в установке режущих инструментов по различным калибрам и эталонам на неподвижном станке.
Для сокращения времени настройки установка инструмента производится по детали-эталону или специальному калибру, которые располагаются на станке на месте обрабатываемой заготовки. Инструмент доводится до соприкосновения с поверхностью калибра и закрепляется. Одновременно устанавливаются соответствующие упоры. При настройке станка для обработки плоскостных заготовок сточными размерами в качестве установочного калибра часто используется набор мерных плиток. В ряде случаев для установки инструментов применяются специальные установочные приспособления с индикаторными устройствами.
При статической настройке станка в связи с деформациями в упругой технологической системе, зависящими от действия сил резания, температурного режима системы и других факторов, размер обработанного изделия оказывается больше (для охватываемых поверхностей) или меньше (для охватывающих поверхностей) требуемого.
Для компенсации изменения фактических размеров обрабатываемых заготовок установочные калибры или эталонные детали при статической настройке изготовляются с отступлением от чертежа заготовки на величину некоторой поправки ДП0Пр- В' этом случае расчетный настроечный размер ££асч установочного калибра определяется по формуле
£Г?Ч = £иаг Т Дпопр.	(41)
Здесь £^яг — размер заготовки, который должен быть фактически получен после обработки, когда настройка станка ведется посередине поля допуска заготовки, 1™ = (Lmln + £гаах)/2 (£m)n и £max — соответственно наименьший и наибольший предельные размеры заготовок по чертежу); Дпопр — поправка, учитывающая деформацию
107
в упругой технологической системе и шероховатость поверхности эталонной детали, по которой производится настройка,
^попр = Д1 “Ь Дз “Ь Дз,	(4.2)
где Дц Д2, Д3 — составляющие поправки, учитывающие соответственно действи есил резания, шероховатость обрабатываемых заготовок и величину зазора в подшипниках шпинделя.
Величина поправки почти всегда положительна, за исключением тех редких случаев, когда при дополнительном нагружении лезвие инструмента не отжимается, а врезается в металл. В формуле (4.1) знак минус принимается для случая обработки вала, а знак плюс — для отверстия.
При односторонней обработке имеем
Д1 = Ру']-	(4.3)
При двусторонней обработке (обработке цилиндрических поверхностей) значение Дъ найденное по формуле (4.3), следует удвоить.
В связи с тем что установка резца по калибру осуществляется соприкосновением его вершины с точной поверхностью калибра и при обработке заготовки положение вершины резца определяет положение впадин неровностей, а измерение заготовки производится по выступам неровностей, измеренный размер оказывается больше размера калибра на величину
Д2 « Rz,	(4.4)
где Rz — высота неровностей, мкм.
При двусторонней обработке значение У?2 также удваивается. При односторонней обработке поправка Д3 равна половине диаметрального зазора (принимается, что шпиндель, нагружаемый усилием резания, смещается в горизонтальном направлении от рабочего на половину диаметрального зазора) и зависит от типа и марки станка. При двусторонней обработке эта величина удваивается. Для токарных станков обычной точности Д3 =; 0,04 мм, для токарных станков повышенной точности Д3 = 0,02 мм.
При статической настройке токарных станков нормальной точности для обработки заготовок с шероховатостью Rz = 10,0 мкм поправка Дпопр в среднем составляет 0,106 мм, а при настройке станков повышенной точности и обработке заготовок с Rz = 6,3 мкм Ддопр = 0,042 мм. Как показал опыт, погрешность определения самой поправки достигает 50 % ее значения. Вследствие этого, а также в связи с дополнительными погрешностями статической настройки (погрешность установки детали-эталона, погрешность установки резца по эталону и др.) она обычно не создает условий для получения точности заготовок выше 8—9-го квалитетов. Это приводит к необходимости дополнять статическую настройку динамической настройкой, проводя добавочное регулирование положения инструментов и упоров при обработке первых заготовок партии.
Вместе с тем значительное сокращение продолжительности настройки станков при установке инструментов по эталонам, особенно 108
при многорезцовой обработке, предопределяет широкое распространение этого метода при крупносерийном и массовом типах производства. К числу больших преимуществ этого метода следует отнести также возможность настройки инструментальных блоков по эталонам вне станка на специальных оптических устройствах, что существенно повышает точность настройки и сокращает простои станков при настройке. Этот способ настройки часто применяется при многоинструментной обработке и является основным методом настройки обрабатывающих центров и других станков с ЧПУ.
НАСТРОЙКА
ПО ПРОБНЫМ ЗАГОТОВКАМ С ПОМОЩЬЮ РАБОЧЕГО КАЛИБРА
В настоящее время на большинстве машиностроительных заводов получил распространение метод настройки по тому же рабочему калибру, которым пользуется в дальнейшем рабочий при обработке изделия. После настройки рабочий обязан изготовить одну или (реже) несколько заготовок. Если размеры находятся в пределах допусков, предусмотренных рабочим калибром, то настройка считается правильной и разрешается обработка всей партии заготовок.
Рис. 4.1
Возможные положения кривых распределения размеров относительно поля допуска при бет < Т
Такой метод настройки нельзя считать удовлетворительным, так как даже в наиболее благоприятном случае, когда допуск на обработку значительно превосходит поле рассеяния, нет гарантии того, что значительная часть заготовок партии не окажется за пределами установленного допуска, т. е. будет браком. Кривая рассеяния, к которой принадлежит размер пробной заготовки, может занимать внутри поля допуска различные положения, и при изготовлении одной пробной заготовки нельзя определить, какому участку поля рассеяния она соответствует. Так, например, точки А и В (рис. 4.1) могут принадлежать кривым 1 и 2, расположение которых исключает опасность брака, ио могут также относиться и к кривым 1а и 2а, в значительной части выходящими за пределы допуска и связанными с появлением большого количества брака (заштрихованные участки). При увеличении числа пробных заготовок вероятность
109
появления значительного брака снижается, однако опасность появления брака не устраняется.
Для исключения опасности появления брака в случае, когда поле допуска превышает поле рассеяния, т. е. со < Т, необходимо с помощью настройки обеспечить расположение кривой фактического распределения размеров внутри поля допуска с таким расчетом, чтобы ее центр группирования [математическое ожидание Ет] отстоял от предельных размеров не менее чем на За (рис. 4.1). Методом настройки станков по рабочим калибрам при небольшом числе пробных заготовок эту задачу решить нельзя. Более рациональным является метод настройки станков с помощью универсальных измерительных инструментов по суженным допускам.
Рнс. 4.2
Распределение размеров партии заготовок со средним квадратическим о и распределение групповых средних со средним квадратическим ст* = g!V т
НАСТРОЙКА ПО ПРОБНЫМ ЗАГОТОВКАМ С ПОМОЩЬЮ УНИВЕРСАЛЬНОГО МЕРИТЕЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА
Сущность этого метода настройки станков заключается в том, что установка режущих инструментов и упоров станка производится на определенный рабочий настроечный размер L„, а правильность настройки устанавливается обработкой некоторого количества т пробных заготовок Настройка признается правильной, если среднее арифметическое размеров пробных заготовок находится в пределах некоторого допуска Ти на настройку. Задачей расчета настройки в этом случае является определение поля допуска настройки Та.
Теоретическими предпосылками этого метода настройки, предложенного проф. А. Б. Яхиным, являются следующие положения теории вероятностей.
Если имеется некоторая совокупность (партия) заготовок, распределение размеров которых подчиняется закону нормального распределения Гаусса со средним квадратическим о, и если эту совокупность заготовок раз-и определить среднее арифметическое каждой из этих групп, то распределе-
бить на группы по m штук значение размеров внутри ние размеров групповых средних Lrp-ср тоже будет подчиняться закону Гаусса со средним квадратическим
°i — ° IV т-	0-5)
При этом центр группирования групповых средних совпадает с центром группирования размеров всей партии заготовок (рис. 4.2).
Пренебрегая износом инструмента, можно считать, что среднее арифметическое размеров т пробных заготовок может отличаться от среднего арифметического всей совокупности (партии) заготовок не более чем на Зи/V т-
ПО
Расчет настройки без учета переменных систематических погрешностей. Если центр группирования размеров пробных заготовок располагается по отношению к предельным размерам партии заготовок ближе, чем на расстоянии Зо (точка М на рис. 4.3, а), то часть
Рис. 4.3
Случаи возможного брака при 6о < Т (возможный брак показан штриховкой)
общей кривой рассеяния размеров обработанной партии заготовок может выйти за пределы допуска и возникает опасность появления брака. Даже если это расстояние несколько больше Зо (точка М на рис. 4.3, б), то брак обра-ботанных заготовок возмо-	~ Н
жен, так как точка Ai может принадлежать кривой групповых средних, центр группирования которых (а следовательно, и центр группирования размеров всей партии заготовок) смещен на величину Р влево (рис. 4.3, б) от требуемого положения кривой, исключающего возможность брака.
Брак является невозможным только в том случае, когда минимальный размер групповых средних пробных заготовок, определяющий положение точки М, LmPinCp^Lmi„ + 3o + Зо/k m (рис. 4 4). Очевидно, что при
Рис. 4.4
Правильная настройка ставка, исключающая опасность брака
этом условии даже в том случае, когда центр группирования групповых средних располагается па расстоянии Зо/|/ m левее точки М, он .
отстоит от границы наименьшего предельного размера заготовки на величину Зо и брак является невозможным.
111
Аналогично сказанному LmPxcp <3 Lmax — 3<т — Зо/j/т.
Разность предельных значений групповых средних размеров определяет величину допуска настройки, т. е. Ти = LSxCp — AminC₽.
Очевидно, что допуск настройки Тн выражается формулой
ТН = Т—	(4.6)
и зависит от общего допуска на обработку партии заготовок и от количества m пробных заготовок.
Увеличивая число m пробных заготовок, можно расширить допуск Тн настройки и тем самым облегчить и ускорить его, однако при этом возрастает время обработки пробных заготовок, что ведет к удлинению настройки. В общем случае
m > [бсДТ — би)]2.	(4.7)
По данным проф. А. Б. Яхина, количество пробных заготовок может быть принято от двух до восьми. Дальнейшее увеличение их неэффективно.
В соответствии с формулой (2.45) условие обработки заготовок без брака при отсутствии влияния систематических погрешностей с учетом уравнения (4.6) можно представить в виде формулы
6о(1 + 1//^)+Гн<Г.	(4.8)
В общем случае, когда систематические погрешности оказывают существенное влияние на точность обработки заготовок, условие обработки заготовок без брака приобретает вид
6о(1-Ь1//^)+Тн + Асисг<Т.	(4.9)
Необходимо отметить, что введенная в выражения (4.6) и (4.8) величина допуска настройки Тн не совпадает с погрешностью настройки Дн = шн, рассчитываемой по формуле (2.40).
На рис. 4.4 показано, что погрешность настройки, равная
А(| = (i)u = 1,2	Орег Д- й>изм Ч- ®смещ»
определяет расстояние между крайними допустимыми положениями вершин кривых рассеяния при настройке.
Допуск Та настройки представляет собой разрешенное колебание значений групповых средних, вызываемое погрешностями регулирования и измерения, и является частью общей погрешности настройки.
В зависимости от погрешностей регулирования и измерения допуск настройки можно определить по формуле
Т'и == 1 >2 СОрег -р ®изм-
Как следует из рис. 4.4 и формул (2.40) и (2.38), допуск Тя настройки меньше общей погрешности А„ настройки на величину (оСМеЩ = 6о//т, представляющую собой поле вероятного смещения положения вершины кривой рассеяния размеров групповых средних пробных заготовок.
112
Рассмотренный метод расчета настройки станков применяется при обработке точных заготовок, когда поле допуска незначительно превышает рассеяние размеров, что делает невозможным предусмотреть заранее компенсацию переменных систематических погрешностей обработки (например, износа инструмента). Этот метод приемлем также при обработке заготовок, когда износ инструментов незначителен (например, при алмазной обработке цветных сплавов), а также при обработке небольших партий заготовок, когда износ режущего инструмента внутри обрабатываемой партии столь невелик, что не может оказать серьезного влияния на потерю точности обработки. Во всех этих случаях задача настройки станка сводится к обеспечению
Рис. 4.5
Настройка станка с учетом переменных систематических погрешностей
совмещения вершины кривой фактического распределения размеров с серединой поля допуска, т. е. Ет = Ес.
При этом настроечный размер определяется по выражению
LH =	± 0,5Ти.	(4.10)
Расчет настройки с учетом переменных систематических погрешностей. В процессе обработки крупных партий заготовок, сопровождаемой интенсивным износом режущего инструмента, при настройке возникает задача наиболее рационального расположения кривой рассеяния в поле допуска с целью использования значительной части этого поля для компенсации переменных систематических погрешностей обработки. Таким образом, удается увеличить срок работы станка без поднастройки, а следовательно, и повысить производительность.
На рис. 4.5 приведена схема рациональной настройки станка для обеспечения заданной точности охватываемого размера [1]. Из рисунка видно, что некоторая часть Тн общего поля допуска Т используется для компенсации погрешностей настройки (Т„ = сон), определяемых по формуле (2.38). Вторая часть общего поля допуска предназначается для компенсации случайных погрешностей, вызы-
113
вающих рассеяние размеров. Как указывалось ранее, она определяется величиной 6о (1 + 1/>Ап). Остальная часть b общего поля допуска используется для компенсации погрешностей, порождаемых совокупным действием систематически действующих факторов, постоянных по величине и изменяющихся во времени по определенным законам (например, износа режущего инструмента).
В процессе обработки партии заготовок в связи с износом режущего инструмента происходит изменение положения кривой рассеяния. После обработки некоторого количества пу заготовок кривая рассеяния размеров заготовок пересекает линию наибольшего предельного размера и возникает опасность появления брака. В этот момент следует произвести поднастройку станка, при которой кривая рассеяния возвратится вниз в свое исходное положение, созданное первоначальной настройкой.
При такой настройке, очевидно, нельзя определять настроечный групповой средний размер по величине среднего арифметического, а необходимо вычислить его по значениям предельных размеров.
Во избежание получения при обработке маломерных заготовок необходимо (рис. 4.5), чтобы минимальное значение группового среднего размера удовлетворяло выражению
bminCP = £min + 3o(l + l//w?).	(4.11)
При наличии существенного влияния переменных систематических погрешностей, уменьшающих размеры охватываемых заготовок (например, при значительном удлинении резца от нагрева в начальный период резания), в формулу (4.11) необходимо дополнительно ввести возможную величину погрешности а, т. е.
^-пЧп ₽ = ^-min -|- о “Ь Зо (1	1/|/~т).	(4.12)
В большом числе случаев обработки заготовок (особенно при наличии охлаждения) значение а ничтожно мало и расчет наименьшего настроечного размера производится по формуле (4.11).
Формула для подсчета максимального значения группового среднего размера (с учетом части допуска Ь, используемой для компенсации переменных систематических погрешностей) имеет вид
МпРахСР = Атах-Ь-Зо(1 + 1//щ).	(4.13)
Допуск на настройку определяется разностью предельных значений групповых средних размеров: Ти = LmaXcp — bmPn€p и после преобразований формул (4 11) и (4.13) приводится к виду
Тп = Т — 6о (1--J-	— Ь.	(4.14)
Следовательно, при увеличении Т„ с целью упрощения и ускорения настройки при прочих равных условиях приходится сокращать величину Ь, что приводит к возрастанию числа необходимых поднастроек и снижает производительность операции. В связи с этим 114
производить расширение поля допуска на настройку обычно целесообразно при условии изменения других факторов, входящих в приведенные выражения, в частности при расширении общего поля допуска Т или уменьшении рассеяния 6о.
Полученная формула (4.14) отличается от выражения (4.6) тем,
что при учете переменных систематических погрешностей допуск настройки Т„ уменьшается на величину Ь, предназначенную для
компенсации влияния этих погрешностей на точность размеров.
При расчете настройки станка для случая обработки вала с учетом переменных систематических погрешностей удобно придержи-
ваться следующей последовательности:
1)	по формуле (4.11) определяется Lm₽inC₽;
2)	по формуле (4.14) вычисляется минимально необходимая для условия данной операции величина Т„;
3)	значение Lmaxcp определяется по формуле
^рахс₽ = /4%ср + тп; (4.15)
4)	часть допуска Ь, предназначенная для компенсации износа инструмента, вычисляется по формуле (4.14) из соотношения
Ь = Т-6о(1 4- 1//т)- Тн.
При заданном b значение f maxC₽ находится из выражения (4.13).
Рис. 4.6
Настройка станка для обработки с заведомым браком, учитывающая погрешность настройки: а — брак исправимый; б — брак исправимый и неисправимый
Если условие (4.9) обработки заготовок без брака не выполнено и сумма случайных и систематических погрешностей обработки оказывается больше поля допуска, т. е. 6о (1 + 1/>Л/п) + Тн + Дсист > > Т, то при обработке заготовок возможен брак.
При отсутствии возможностей повысить точность операции настройку станка следует производить с таким расчетом, чтобы полученный брак оказался исправимым при дальнейшей обработке заготовок (рис. 4.6, а).
Если исправить брак невозможно, настройку станка необходимо
производить с учетом получения минимального количества возможного окончательного брака (рис. 4.6, б).
Количество возможного брака в этом случае определяется по формулам (2.49)—(2.52). При этом х0 вычисляется по формуле
2хп = Т — Тн — бсг/у/Тп.
(4-16)
115
Решение о настройке станка с заведомо технически возможным исправимым или неисправимым браком можно принять только на основе точного расчета экономической целесообразности данного варианта обработки.
РАСЧЕТЫ РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ДОСТИЖЕНИЕ ТРЕБУЕМОЙ ТОЧНОСТИ И ВЫСОКОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ОБРАБОТКИ
Важным элементом настройки металлорежущих станков является установление рациональных режимов резания. В обычных условиях обработки режимы резания назначают исходя из задачи достижения высокой производительности при малых затратах на режущий инструмент, т. е. при сохранении его высокой стойкости. В случаях точной обработки заготовок кроме требований высокой производительности и экономичности обработки выдвигается задача обеспечения требуемой точности.
Ранее было показано, что фактическая точность размеров и геометрической формы обработанных заготовок зависит от отжатий в упругой технологической системе, вызываемых колебаниями нормальной составляющей Ру силы резания. При этом на абсолютную величину погрешности обработки, обусловленную колебаниями суммарных отжатий Аг/ технологической системы, в значительной мере влияет абсолютная величина приращения составляющей силы ДРЙ резания, определяемая в свою очередь уровнем применяемых режимов резания. Например, при обработке стали твердостью 170 НВ и при одинаковой степени затупления резца вследствие износа абсолютная величина приращения нормальной составляющей силы ДРЙ резания при t — 0,2 мм и s = 0,06 мм/об почти в 30 раз меньше, чем при t = 2,0 мм и s = 0,3 мм/об (см. табл. 3.1) При чистовом режиме соответственно меньше и погрешность обработки, вызываемая затуплением режущего инструмента. Аналогично этому при повышении твердости заготовки на 30 НВ и точении с подачей s = = 0,06 мм/об приращение нормальной составляющей силы резания ДРЙ в 4,5 раза меньше, чем при точении с подачей s = 0,2 мм/об.
Таким образом, при режимах работы, характеризующихся снятием тонких стружек, влияние основных причин, обусловливающих рассеяние размеров, и появление погрешности геометрической формы заготовок (колебание твердости обрабатываемого материала, непостоянство припусков, погрешности формы заготовок) и переменной систематической погрешности, которая связана с затуплением режущего инструмента, уменьшается. В связи с этим с точки зрения достижения наивысшей и стабильной точности изготовления деталей, чистовую обработку нужно вести при минимальных режимах резания. Из формулы(3.23) следует, что для наибольшего уточнения размеров и формы заготовок обработку целесообразно проводить за несколько ходов.
Однако для обеспечения роста производительности обработки и снижения ее себестоимости требуется всемерное повышение режимов резания.
116
В настоящее время перед технологами возникает задача нахождения некоторых оптимальных режимов резания, достаточно тонких для обеспечения требуемой точности и одновременно производительных, обеспечивающих экономичное изготовление деталей.
Примером успешного решения этой задачи применительно к токарной обработке может служить формула проф. А. П. Соколовского для расчета подачи при точении в зависимости от требуемой точности заготовки и погрешностей исходной заготовки
Рис. 4.7
Зависимость подачи 5 от жесткости стайка при отжатии в технологической системе у = 0,1 мм (К. С. Колев):
I — /суп = 40 000 кН/м. /пб = = SO ООО кН/м, /3 б =30 ООО кН/м’ 2 —“ /суп ~ 70 ООО кН/м, б = = 100 000 кН/м, /31 б = 50 000 кН/м!’ 3 /суп ~ 7500 кН/м; /п. б = = 200 000 кН/м, /3 б = 30 000 кН/м’ 4 “* /суп ~ 100 000 кН/m, б = = 200 000 кН/м, /3 б = 75 000 кН/м
Приняв среднее значение X = Pv/Pz — 0,4 и подстдвив вместо уточнения е отношение е = ДИсх.заг^обр.заг> можно формулу (4.17) представить в более удобном для практических расчетов виде
s=(^.y / 4°бР. ?аг\ 3 • 3 t	(4.18)
х / X Лисх. заг /
Формула (4.18) позволяет определить подачу s, обеспечивающую требуемое уточнение е обрабатываемой заготовки при наивысшей производительности операции.
На рис. 4.7 приведены экспериментальные кривые проф. К. С. Колева, показывающие изменение допустимой подачи s при обтачивании стальных деталей различных размеров (l/d = 5, t = 1,0 мм) на станках различной жесткости.
Из рисунка видно, что при повышении жесткости станка в 2,5 раза подача при черновой обработке может быть увеличена в 3—3,5 раза при сохранении требуемой точности обработки.
При круглом наружном шлифовании в центрах одним из главных парметров режима резания, определяющим точность размеров и геометрической формы обработанной заготовки, является глубина шлифования. Так как фактическая глубина шлифования /фЭ1!т в связи с упругостью технологической системы значительно отличается от номинальной глубины t, установленной по лимбу шлифовального станка, для уменьшения погрешностей обработки, связанных с отжатием технологической системы, расчет t следует
117
{/доп системы
/ = (1+2-)%on,	(4.19)
где k — коэффициент, учитывающий жесткость технологической системы.
Коэффициент k определяется по формуле
k = C/Cj.
Причем:
С = z-o’175^; Ci= 1/1	1 \	1 »	(4'20)
4 \ /п. 6	/з. С /	Уш. к
где jJ/i — жесткость заготовки возле круга; yt — прогиб заготовки возле круга.
В связи с тем что определяемая по формуле (4.19) величина t входит в выражение.для подсчета коэффициента С, характеризующего жесткость технологической системы, расчет по формуле (4.19) носит приближенный характер. При проведении расчета вначале задаются номинальной глубиной t шлифования, исходя из требуемой шероховатости, затем подсчитывают значение коэффициента С и после этого по формуле (4.19) окончательно находят номинальную глубину t шлифования, при установке которой по лимбу станка отжатие в технологической системе не будет превышать допустимой величины увоп
В настоящее время существуют разнообразные номограммы и расчетные формулы, позволяющие определить режим резания, обеспечивающий достижение требуемой точности обработки и шероховатости обрабатываемой поверхности при наивысшей производительности и экономичности обработки. Дальнейшее развитие работ в области оптимизации режимов резания открывает перспективы значительного повышения эффективности механической обработки.
$ 42
УПРАВЛЕНИЕ ТОЧНССТЫО ОБРА БОТНИ
УПРАВЛЕНИЕ ТОЧНОСТЬЮ ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ ПО ВЫХОДНЫМ ДАННЫМ (ПОДНАСТРОЙКА СТАНКОВ)
Для обеспечения требуемой точности обработки партии заготовок недостаточно правильно рассчитать и осуществить настройку станка. Под влиянием переменных систематических погрешностей, связанных с износом и затуплением режущего инструмента и нагреванием элементов системы, в процессе обработки происходит смещение поля рассеяния размеров заготовок внутри поля допуска из положения а в положение б (рис. 4.8) и через некоторый промежуток времени У, обработки возникает опасность выхода части заготовок за пределы поля допуска. Для предотвращения появления брака через опреде
118
ленный промежуток времени t2 необходимо произвести поднастройку (подналадку) станка.
Поднастройкой (подналадкой) станка называется процесс восстановления первоначальной точности взаимного расположения инструмента и обрабатываемой заготовки, нарушенного в процессе обработки партии заготовок.
При обработке валов для компенсации влияния износа резца (вследствие его затупления и увеличения упругих отжатий в технологической системе) производят перемещение резца на величину, равную половине смещения вершины кривой рассеяния («Л/2), вызванного воздействием переменных систематических погрешностей.
В результате такой поднастройки поле рассеяния размеров заготовок возвращается из положения б в положение а и опасность появления брака устраняется (рис. 4.8).
Для предотвращения появления брака важно своевременно установить момент требуемой поднастройки и продолжительность обработки заготовок между поднастройками. В условиях крупносерийного производства этот момент выявляется посредством систематических замеров обработанных заготовок. Особенно успешно момент поднастройки определяется при использовании статистического контроля точности обработки.	«
При осуществлении поднастройки станка через промежуток времени /2 суммарное рассеяние размеров партии заготовок со = = 6о + А, где 6о — поле рассеяния размеров заготовок под влиянием случайных погрешностей; А = Дп. с = Z2tg а — смещение вершины кривой за время t2 под влиянием переменных систематических погрешностей.
При сокращении /2 до tx смещение А вершины кривой рассеяния уменьшается до а суммарное рассеяние размеров партии
119
заготовок, обработанных между поднастройками, снижается до ®' = 6о + Лх. При повышении частоты поднастроек суммарное рас! сеяние размеров партии обработанных заготовок уменьшается, стре-мясь к величине 6о.
Таким образом, путем сокращения периодов работы станкд между поднастройками можно уменьшить колебания размеров заготовок данной партии, т. е. в определенных границах повысить точность их обработки.
Однако поднастройка станка, осуществляемая в обычных условиях серийного производства рабочим-настройщиком вручную, требует остановки станка и прекращения обработки заготовок на весь период поднастройки, продолжительность которой может быть довольно значительной. Очевидно, что при сокращении периодов работы станка между поднастройками увеличиваются простои станков и снижается общий выпуск продукции.
С .точки зрения повышения производительности оборудования следует стремиться к уменьшению простоев при настройке и поднастройке, а следовательно, к увеличению продолжительности работы станка между поднастройками. При заданной точности обработки заготовок этого можно достигнуть за счет повышения размерной стойкости режущего инструмента, что приведет к уменьшению угла а, характеризующего скорость износа и затупления режущего инструмента, и связанной с ней скорости смещения кривой рассеяния относительно поля допуска. Однако размерная стойкость режущего инструмента лимитируется свойствами инструментальных материалов и от настройки станка практически не зависит.
Устранение возникшего противоречия между требованиями повышения точности (сокращение продолжительности работы станка между поднастройками) и производительности (уменьшение простоев станков и увеличение продолжительности их работы между поднастройками) достигается путем автоматизации контрольных измерений обрабатываемых заготовок и самого процесса поднастройки. Для этих целей применяются различные устройства так называемого активного контроля, получившие наименование автоподналадчиков.
При применении автоподналадчиков момент необходимой поднастройки в большинстве случаев определяется в период работы станка без его остановки путем отсчета машинного времени или фактического пути резания, или устанавливается с помощью регулярных измерений истинных размеров обрабатываемых заготовок контактными или бесконтактными измерительными устройствами. В первом случае через определенные, заранее установленные промежутки времени автоподналадчик дает исполнительным органам станка сигнал для перемещения инструмента на определенную величину, компенсирующую влияние переменных систематических погрешностей. Эта величина зависит от средней интенсивности износа и затупления инструмента.
Конструкция автоподналадчиков этого типа довольно проста и надежна, однако их можно использовать только при условии высокой степени однородности размеров, свойств материалов исходных 120
заготовок и качеств режущего инструмента (стойкости). В противном случае точность обработки заготовок получается низкой.
Большой эффект дает указанный метод при подналадке шлифовальных станков, когда колебания интенсивности износа и затупления инструмента, связанные с непостоянством твердости заготовок и нестабильностью стойкости инструментов, могут быть компенсированы за счет соответствующей размерной правки абразивного круга. В этом случае при каждой поднастройке после перемещения абразивного круга на заготовку производится его правка алмазным карандашом, жестко установленным на точном расстоянии от оси вращения обрабатываемого изделия, соответствующем радиусу обработки. По этому принципу строятся, в частности, автоподналадки станков для внутреннего шлифования колец шариковых подшипников.
Во втором случае, когда момент поднастройки определяется на основе измерений действительных размеров обрабатываемых заготовок, точность обработки повышается и метод автоподналадки становится более универсальным. Однако конструкция автоподналадчиков, снабженных дополнительным устройством для точных измерений обрабатываемых поверхностей на ходу станка, значительно усложняется.
Обеспечение автоподналадчиков очень точным и надежным устройством для своевременной подачи сигнала и осуществления малого перемещения инструмента для поднастройки станка повышает их стоимость. Вследствие этого применение автоподналадчиков указанного типа рентабельно лишь в условиях крупносерийного и массового типа производства.
Общей трудностью создания устройств автоматического контроля является необходимость осуществления малых перемещений инструмента в момент поднастройки. Для обеспечения стабильной точности размеров заготовок в пределах сотых долей миллиметра при автоподналадке приходится перемещать инструмент на величину, измеряемую тысячами долями миллиметра. Инерционность масс соответствующих узлов станков, значительные силы трения в их подвижных сопряжениях и недостаточная точность существующих передач весьма усложняют задачу создания точных и надежных систем автоматического регулирования обрабатываемых размеров по выходным данным (т. е. по данным замеров обработанных заготовок). Это является одной из серьезных причин, ограничивающих применение этих систем в условиях обычного серийного производства.
УПРАВЛЕНИЕ
ТОЧНОСТЬЮ ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК ПО ВХОДНЫМ ДАННЫМ
Наибольшее влияние на поле рассеяния размеров заготовок оказывает изменение таких входных данных, как размеры припуска и твердость материала заготовки, обусловливающих соответственное возрастание диапазона изменения усилий резания и вызываемых
121
ими упругих отжатий, а следовательно, и поля рассеяния размеров обработанных заготовок.
Проще всего уменьшить поле рассеяния путем непосредственного измерения размеров и твердости заготовок с последующей сортировкой их на группы и внесением необходимых поправок в размер статической настройки станка, учитывающих различие упругих отжатий технологической системы при обработки заготовок разных групп.
Большим недостатком этого метода, ограничивающим его практическое применение, является его трудоемкость и организационная сложность.
Значительно большие удобства имеют адаптивные методы управления точностью обработки, развитые в Советском Союзе трудами проф. Б. С. Балакшина и его сотрудников 11].
Методы адаптивного управления точностью обработки основаны на принципе компенсации упругих отжатий в технологической системе, вызванных колебаниями припуска и твердости заготовки, упругими перемещениями элементов системы в противоположном направлении.
Известно, что отжатия в упругой технологической системе определяются отношением нормальной составляющей силы резания к жесткости j системы: у — Pv/j. Погрешность обработки зависит от колебания отжатия вследствие изменения силы резания или жесткости системы. Для достижения высокой точности обработки необходимо обеспечить постоянство величины у, что возможно при постоянстве силы Ру резания или отношения Pti!j.
При обработке стали и чугуна
Р = У (Czts0J5HB°-6)2 + (C/’9s017E//^2 + (C^'^s0'6//^1,5)2. (421)
Сила Р резания зависит от твердости заготовки и колебаний припуска на обработку (глубины резания /). При неизменных условиях резания (геометрия режущего инструмента, скорость резания, смазочно-охлаждающие жидкости) значения коэффициентов С2, С,,, Сх сохраняются постоянными, поэтому единственным способом компенсации усилия резания является согласно формуле (4.21) изменение подачи.
В своих трудах проф. Б. С. Балакшин указывает; что важным преимуществом использования подачи в качестве параметра управления силой резания является возможность создания очень тонкого н чувствительного механизма управления упругими перемещениями технологической системы, не имеющего никаких скачков. Действительно, поскольку поправка вносится за счет самих упругих перемещений технологической системы, никаких относительных перемещений узлов станка не требуется. При этом размер статической настройки сохраняется неизменным в течение всего времени обработки заготовок между двумя поднастройками, необходимыми для компенсации размерного износа режущего инструмента н осуществляемыми с помощью механизма активного контроля или вручную.
122
Управление подачей может осуществляться рабочим вручную или с помощью системы автоматического регулирования. Подача может изменяться дискретно или непрерывно и автоматически. При ручном изменении подачи рабочий наблюдает за отклонениями стрелки прибора и вносит требуемые изменения в величину подачи до тех пор, пока стрелка прибора не возвратится в исходное положение. При автоматическом регулировании подачи эти функции выполняет САР (система автоматического регулирования). В этих случаях при обработке заготовки с чрезмерно большой величиной припуска и твердости рабочий или САР соответственно уменьшают величину подачи, а при обработке следующей заготовки с меньшей величиной припуска наоб-
работку—увеличивают ее.
На рис. 4.9 приведены результаты обработки стальных заготовок с твердостью 145—165 НВ на токарном станке 1А62 проходным резцом с углом ср — 45° с пластинкой Т15К6 при скорости резания 43 м/мин. Припуск на обработку колеблется от 4 до 8 мм на диаметр (т. е. поле рассеяния.размеров исходной заготовки
Ноиер гвготсбпи
Рис. 4.9
Повышение точности размера заготовки, обрабатываемой на токарном станке, путем изменения подачи (Б. С. Балакшин)
составляет 4 мм).
Первые девять заготовок (/—9) обработаны с постоянной подачей s = const = 24 мм/об (участок /), а для следующих девяти заготовок (с 10 до 18) подача устанавливалась в зависимости от фактического припуска на обработку очередной заготовки (участок //).
При постоянной подаче фактическое поле рассеяния размеров обработанных заготовок созаг = 0,155 мм. При обработке с дискретно регулируемой подачей поле рассеяния размеров заготовок уменьшилось до Ызаг = 0,045 мм, т, е. в 3,45 раза. При бесступенчатом регулировании подачи поле рассеяния размеров могло быть сокращено еще больше.
Метод сокращения поля рассеяния размеров путем регулирования подачи при обработке заготовок на токарных, шлифовальных, фрезерных станках, автоматах и полуавтоматах позволяет уменьшить значение в 3—9 раз. Например, в процессе обработки на вертикально-фрезерном станке 6П10 чугунных заготовок с твердостью 131—177 НВ при колебании припуска на обработку от 2 до 5 мм, скорости резания 75 м/мин и подаче 250 мм/мин регулирование подачи с помощью САР привело к сокращению поля рассеяния с 0,058 (при работе с постоянной подачей) до 0,016 мм.
При обработке валиков диаметром D — 38-i-45 мм и длиной 300 мм из стали 45 на токарном станке 1К62 с припуском на диаметр
123
3—10 мм рассеяние размеров заготовок при обычной обработке составило 0,052 мм, а при использовании САР — 0,006 мм, т. е. уменьшилось почти в 9 раз.
УПРАВЛЕНИЕ УПРУГИМИ ПЕРЕМЕЩЕНИЯМИ ЭЛЕМЕНТОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ УСТРАНЕНИЯ СИСТЕМАТИЧЕСКИХ И ПЕРЕМЕННЫХ СИСТЕМАТИЧЕСКИХ ПОГРЕШНОСТЕЙ, ВЫЗЫВАЮЩИХ ПОГРЕШНОСТИ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ ЗАГОТОВОК
Регулирование подачи в процессе обработки заготовок дает возможность не только уменьшить поле рассеяния размеров обработанных заготовок, но и повысить точность их геометрической формы.
Выше было показано [см. формулу (3.24) ], что при обработке заготовок на шлифовальных и токарных станках по мере продвижения инструмента вдоль обрабатываемой заготовки жесткость технологической системы не остается постоянной в связи с различной податливостью самой обрабатываемой заготовки по ее длине. Соответственно меняются по длине заготовки упругие отжатия системы и величина обработанного диаметра, вследствие чего нарушается правильность геометрической формы обработанной заготовки.
2fjl—। ।_।—i—i—I—।--- 21,8'—।—।—।—i———।---
0 50 100150 2002503003501,0 50 100 150 2002503003501,m
Рис. 4.10
Изменение диаметра d валика по длине в результате обточки с частотой вращения п — 375 об/мии и с припуском .2 — 2 мм иа диаметр: а — с постоянной подачей (ж = 0,3 мм/об); б — с переменной подачей (Б. С. Балакииин)
Для палучения правильной геометрической формы обработанной заготовки необходимо компенсировать не только колебания силы резания, вызванные непостоянством припуска и твердости заготовки, но и упругие отжатия по ее длине, связанные с изменением податливости технологической системы. Для обеспечения точности геометрической формы по длине заготовки требуется создать дополнительное устройство, изменяющее силу резания по длине обработки по определенной программе соответственно колебанию жесткости технологической системы. Изменение силы резания и в этом случае удобно осуществить за счет соответствующего регулирования продольной подачи На станках с ЧПУ подобные изменения подачи по длине обрабатываемой заготовки должны быть предварительно внесены в управляющую программу.
На рис. 4.10 приведены кривые изменения диаметра стального валика 023x400 мм подлине I при обработке с постоянной подачей 124
s = 0,3 мм/об (рис. 4.10, а) и с дискретным изменением подачи (рис. 4.10, б). При изменении продольной подачи подлине обработки повысилась не только точность геометрической формы (колебание размера диаметра по длине заготовки сократилось с а>х = 0,34 мм до а»2 = 0,085 мм), но и производительность обработки, так как средняя подача возросла с 0,3 до 0,43 мм/об.
Обработка велась резцом с пластинкой Т15К6 при угле в плане Ф = 45°, глубине резания t = 1,0 мм и п = 375 об/мин.
Приведенные данные показывают, что управление упругими перемещениями путем изменения продольной подачи позволяет:
1)	существенно повысить точность обрабатываемых заготовок и других показателей качества за счет уменьшения поля рассеяния, порождаемого совокупным действием факторов, являющихся случайными при обычной обработке; повышение точности обработанных заготовок при этом тем больше, чем выше удельное влияние поля рассеяния, создаваемого совокупным действием случайных факторов, в поле допуска, установленного на соответствующий параметр точности заготовки;
2)	увеличить штучную производительность подавляющего большинства технологических систем; рост производительности обработки достигается за счет применения наивысших режимов резания, допускаемых технологической системой при заданной точности и реально существующих колебаниях твердости и размеров исходной заготовки и жесткости системы по длине обработки, а также за счет прохождения режущим инструментом холостых ходов и участков обработки с минимальным припуском при максимальной подаче;
3)	использовать чрезвычайно тонкий и чувствительный механизм регулирования технологической системы, работающей без скачков, с сохранением постоянного размера статической настройки;
4)	обеспечить обработку заготовок с равномерной нагрузкой технологической системы, что способствует более экономичному использованию системы и режущего инструмента, повышает долговечность работы системы и снижает затраты на режущий инструмент.
К недостаткам метода управления упругими перемещениями технологической системы следует отнести влияние изменения продольной подачи на шероховатость обработанной поверхности. Известно, что при увеличении продольной подачи шероховатость обрабатываемой поверхности возрастает, поэтому при колебаниях продольной подачи (при ее регулировании с целью компенсации изменения усилия резания) шероховатость поверхности становится неоднородной. Следует, однако, заметить, что во многих случаях обработки этот недостаток не является существенным, так как наиболее ответственные детали, для служебных свойств которых важно постоянство шероховатости поверхности, после обычных получи-стовых и чистовых операций проходят более тонкую доводочную обработку.
Системы автоматического управления точности обработки нашли применение в ряде конструкций станков, выпускаемых отечественной
125
промышленностью. Вместе с тем следует отметить, что, несмотря на большие достоинства систем адаптивного управления, имеется ряд факторов, ограничивающих их использование. К ним относятся рост стоимости станков, оснащаемых этими системами; усложнение и удорожание их наладки, обслуживания и ремонта. В случаях многоинструментной обработки системы адаптивного управления в значительной мере теряют свои преимущества.
Изложенные идеи автоматического управления в настоящее время широко разрабатываются в СССР и за рубежом при создании станков с адаптивным управлением по различным параметрам режимов резания (сила, мощность, температура в зоне резания) или одновременно по комплексу параметров. При этом наиболее перспективно применение подобных систем в станках с ЧПУ, управляемых мини-ЭВМ и микропроцессорами.
Глава 5
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАЗМЕРНЫЕ РАСЧЕТЫ
При проектировании технологических процессов возникают задачи расчета операционных допусков и размеров, а также припусков на обработку заготовок. В случаях невозможности совмещения технологических, конструкторских и измерительных баз и необходимости смены баз технолог вынужден устанавливать «технологические» операционные размеры и производить пересчет допусков, обычно сопровождающийся их ужесточением. Все эти задачи решаются на основе расчета соответствующих технологических размерных цепей.
§ 5-1
ВИДЫ РАЗМЕРНЫХ ЦЕПЕЙ И МЕТОДЫ ИХ РАСЧЕТА
Размерные цепи и звенья. Взаимное расположение деталей сборочных соединений или расположение сборочных элементов изделий, а также отдельных поверхностей деталей определяется линейными и угловыми размерами, устанавливающими расстояния между соответствующими поверхностями или осями отдельных деталей или сборочных элементов и образующими замкнутые размерные цепи.
Размерной цепью называется совокупность размеров, расположенных по замкнутому контуру, определяющих взаимное расположение поверхностей или осей поверхностей одной детали или нескольких деталей сборочного соединения (рис. 5.1, а).
Конструкторская размерная цепь определяет расстояния или относительный поворот между поверхностями или осями поверхностей деталей в изделии (рис. 5.1, б—г). При разработке технологических процессов сборки конструкторские размерные цепи часто называются сборочными.
126
Технологическая размерная цепь определяет расстояния между поверхностями изделия при выполнении операций обработки или сборки, при настройке станка или расчете межоперационных размеров и припусков (рис. 5.1, д)
Размеры, входящие в размерную цепь, называются звеньями. Звено размерной цепи, являющееся исходным при постановке задачи или получающееся последним в результате ее решения, называется замыкающим или исходным звеном. Остальные звенья цепи называются составляющими.
Исходное звено размерной цепи определяет точность размеров составляющих звеньев Относительно исходного звена определяются допуски и предельные отклонения размеров составляющих звеньев. Так, при определении размеров паза А2 и шпепки Л1 (рис. 5.1, б) и диаметра вала Ai и отверстия А2 (рис. 5.1, е) исходят из необходимости обеспечения величины конструктивно необходимых зазоров Ав, являющихся в данных случаях исходными (замыкающими) звеньями. Длина исходной заготовки валика Б1 (рис. 5.1, д) определяется исходя из задачи обеспечения необходимого размера припуска г = Б(, который при этом является исходным звеном.
В процессе обработки заготовки или в процессе сборки сборочного соединения исходное звено становится замыкающим, так как в этом случае оно окончательно формируется в последнюю очередь, замыкая размерную цепь. На рабочих чертежах деталей размер замыка-юшего (исходного) звена обычно не указывается. В сборочных размерных цепях замыкающим звеном могут быть зазор, линейный или угловой размеры, точность которых оговаривается в технических условиях. В технологических размерных цепях замыкающим звеном часто является размер припуска на обработку заготовки или тот конструкторский размер, который при обработке заменяется технологическими размерами и получается в результате выполнения последних.
127
Рис. 5.2
Приведение плоской размерной цепи к линейной
Составляющее звено размерной цепи, с увеличением которого замыкающее звено увеличивается, называется увеличивающим и обозначается Ait а звено, с увеличением которого замыкающее звено уменьшается, называется уменьшающим и обозначается At. На схемах линейных и плоских размерных цепей увеличивающие звенья обозначаются односторонними стрелками, направленными направо, а уменьшающие звенья и замыкающее звено — стрелками, направленными влево.
В зависимости от расположения размеров размерные цепи подразделяются на: линейные размерные цепи, состоящие из взаимно параллельных линейных размеров, которые обозначаются прописными буквами русского алфавита; угловые размерные цепи, звеньями которых являются угловые размеры, обозначаемые строчными буквами греческого алфавита (кроме а, б, g, X и со); плоские размерные цепи, звенья которых располо
жены в одной или нескольких параллельных плоскостях; пространственные размерные цепи, звенья которых находятся в непараллельных плоскостях.
На рис. 5.2 показано, что плоская размерная цепь (рис. 5.2, а), часть звеньев которой расположены под углом к остальным звеньям, может быть легко приведена к обычной линейной размерной цепи (рис. 5.2, б) с параллельными звеньями. В этом случае степень влияния размеров и погрешностей составляющих звеньев на размер и погрешность замыкающего звена меньше, чем в линейных размерных цепях с параллельными звеньями, так как в расчет размерной цепи при этом включаются не сами размеры и погрешности составляющих звеньев Alt А2, Л3, а их проекции на направление замыкающего звена, т. е.:
Л[ = Л1Б1ПР, /1а = Л2 cos р, Лз = Л381пр.
Коэффициент, характеризующий степень влияния размера и отклонения составляющего звена на размер, а также отклонение замыкающего звена, называется передаточным отношением В- Для цепей с непараллельными звеньями передаточные отношения изменяются в пределах: 0 < В < 1 —для увеличивающих составляющих звеньев; —1 с В с 0 —для уменьшающих составляющих звеньев.
Для плоских линейных цепей с параллельными звеньями передаточные отношения равны: В = +1 для увеличивающих и В = — 1 для уменьшающих составляющих звеньев.
Построение схем размерных цепей. Расчету размерных цепей предшествует их выявление по сборочным и детальным чертежам и 128
операционным эскизам технологических процессов механической обработки и сборки.
В соответствии с ГОСТ 16320 —80 в зависимости от решаемой задачи изображаются схемы изделия технологической системы (обрабатываемая заготовка—приспособление—станок—инструмент), технологического процесса или измерения, на которых наносится размерная цепь или размерные цепи. При этом допускается для каждой размерной цепи изображать отдельную схему.
Исходя из поставленной задачи определяется замыкающее звено размерной цепи. Обычно замыкающим звеном является расстояние между поверхностями (их осями) или их относительной поворот, которые требуется обеспечить при конструировании изделия, достичь в процессе его изготовления или определить измерением. В технологических размерных цепях в качестве замыкающего звена часто принимается припуск на обработку заготовки.
Построение схемы размерной цепи начинается от одной из поверхностей (осей), ограничивающих замыкающее звено; при этом устанавливаются составляющие звенья размерной цепи, непосредственно участвующие в решении поставленной задачи, и доходят до второй поверхности (оси), ограничивающей замыкающее звено.
Расчет размерных цепей. В общем случае целью расчета размерных цепей является решение одной из двух нижеследующих задач:
1. Прямая задача (проектная). По заданным параметрам замыкающего звена определяются параметры составляющих звеньев. Практически при этом по известным предельным отклонениям и допуску замыкающего звена, называемому в этом случае исходным, рассчитываются допуски и предельные отклонения размеров составляющих звеньев.
2. Обратная задача (проверочная). По известным параметрам составляющих звеньев определяются параметры замыкающего звена. Практически при этом по известным номинальным размерам и их предельным отклонениям, допускам и характеристикам рассеяния размеров составляющих звеньев рассчитываются: номинальный размер замыкающего звена, его допуск или поле рассеяния и предельные отклонения.
В процессе решения обратной задачи определяются также величина, допуск и предельные отклонения размера одного из составляющих звеньев по известным характеристикам других составляющих и замыкающего (исходного) звеньев, а также некоторые другие технологические задачи.
В зависимости от поставленной задачи и производственных условий, технологические размерные цепи рассчитываются следующими способами: на максимум и минимум; вероятностным методом; методом групповой взаимозаменяемости (при селективной сборке); с учетом регулирования размеров при сборке; с учетом пригонки размеров отдельных деталей при сборке. Выбор конкретного способа расчета в первую очередь зависит от принятого в его основу метода достижения требуемой точности изделия по принципам полной или неполной взаимозаменяемости.
5 Маталин А. А.
129
$ 5-2
МЕТОД ПОЛНОЙ ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМОСТИ
Метод полной взаимозаменяемости обеспечивает достижение тре-
Аз
А,
буемой а)
Гис. 5.3 Построение размерной цепи
точности замыкающего звена размерной цепи путем включения в нее составляющих звеньев без выбора, подбора или изменения их значений. При этом любая деталь, изготовленная по принципу полной взаимозаменяемости, может быть использована при сборке без всяких подгонки или подбора при сохранении требуемых эксплуатационных свойств изделия.
При работе по принципу полной взаимозаменяемости производится расчет размерных цепей на максимум и минимум, учитывающий только предельные отклонения звеньев и самые неблагоприятные их сочетания. Расчет на максимум и минимум начинается с построения размерной цепи (рис. 5.3, б), определяющей размерные связи рассматриваемого
сборочного соединения или торцовых поверх носгей детали (рис. 5.3, а).
РАСЧЕТ ПОЛЯ РАССЕЯНИЯ (ДОПУСКА) ЗАМЫКАЮЩЕГО ЗВЕНА
При решении обратной задачи используется уравнение размерной цепи, выражающее зависимость номинального размера замыкающего звена Аи от номинальных размеров составляющих звеньев в виде
Ло = Иг + Л) — (Лх + Л4)
или в общем виде для любого числа звеньев линейной размерной цепи
Ло = (Л] + Л2 + • • • + Лп) — (Лп+1 + Лп+2 + • • • + Лт_1), где т — общее количество звеньев цепи, включая замыкающее звено; п — количество увеличивающих звеньев.
Можно записать, что
И	/71—1 t
Ло=1Лг— 2 At,	(5.1)
i=l	п+1
где At —увеличивающий размер	составляющего звена; Л( —умень-
шающий размер составляющего звена.
Наибольший предельный размер замыкающего звена линейной размерной цепи
Лотах = (ЛГ* + Л2тах + • • • + Л?ах) - (Л^п, + ЛЭДг + • • • + Л»
Наименьший предельный размер замыкающего звена
л0"”п - (лг,п + л2т,п + ..  + лГ") - (л^1 + л^ +.. • + л™и
130
At
TAt
EcAj
TAj 2
Рис. 5.4
Координата ЕсА^ середины поля допуска ТА.
замыкающего звена ESAn и
Разность наибольшего и наименьшего предельных размеров замыкающего звена определяет величину его допуска ТА0, который выражается в виде
ТА» = Лотах - Ло11" = (ЛГХ - ЛХ) + (Л2тах - Л2"”п) Н-
 • • + (ЛГ - Л,Т1П) + (Л^ - ЛЭД) + +(л^х2 - /та+• • •+их - лх.).
При замене выражений, находящихся в скобках, соответствующими допусками получается формула для определения допуска замыкающего звена линейной размерной цепи
7~Л0 = TAi -J- ТА2 + ... + ТЛто_! или пг—1
TAn=^TAt. (5.2)
Верхнее предельное отклонение
нижнее предельное отклонение Е1А0 линейной размерной цепи могут быть определены по формулам, приведенным ниже, которые получаются после вычитания номинального размера замыкающего звена Ло из его наибольшего Ло'ах и наименьшего Ло11” предельных значений, т. е.:
£5Л0 = У £5Д - ^'eIAi,	(5.3)
t=l	n-fl
Е1А0 = £ ElAt - £. ES. Ij.	(5.4)
i=i	1
Таким образом, верхнее предельное отклонение замыкающего звена £5Л0 равняется разности суммы верхних отклонений увеличивающих звеньев и суммы нижних отклонений уменьшающих звеньев.
Нижнее предельное отклонение замыкающего звена размерной цепи £7Л0 равняется разности суммы нижних отклонений увеличивающих звеньев и суммы верхних отклонений уменьшающих звеньев.
Предельные отклонения ESA0 и Е1А0 размера замыкающего звена могут быть определены и по значениям координаты середины поля допуска ЕсА0. Координатой середины поля допуска i-ro звена EcAt называется расстояние середины поля допуска размера этого звена до его номинального значения (рис. 5.4). Так как
EcAt = (ESA, + Е/А,)/2,	(5.5)
предельные отклонения:
£5Л, = £сЛ,4-Л^- (5.6); EIAt = EcAt -	(5.7)
5*
131
аналогично:
Е5Д = ЕсЛ0 + ^2- (5.8); Е1А0 = ЕсА0 -	(5.9)
Координата середины поля допуска ЕсА0 или середины поля рассеяния Ессоо размера замыкающего звена линейной размерной цепи определяется формулой
ЕсА0 = Еса0 = £ EcAt - У EcAt.	(5.10)
»=l	n-f-1
П р и м е р. 5.1. Для детали, изображенной на рис. 5.3, а, с размерной цепью (рис. 5.3, б) методом расчета на максимум и минимум определить: номинальный размер замыкающего звена Ло, величину его допуска ТАе, предельные отклонения ESA0 и Е1А0 и координату середины поля допуска ЕсЛе- значения составляющих звеньев:
Ау = 35+0Д6 мм, А2 = 6О_0>3, мм; Л3 = 20’1-0’В * * * * 13 * * мм, А4 = 4О+0’16 мм.
Решение. Номинальный размер замыкающего звена определяется согласно формуле (5.1) в виде: Ае = (60 4- 20) — (35 + 40) = 5 мм. Допуск замыкающего звена по формуле (5.2) равен ТАи— 0,16+ 0,3+ 0,13+ 0,16= 0,75 мм. По заданным условиям предельные отклонения составляющих размеров следующие: £535 = +о, 16 мм; £S60 = 0; £520 = +0,13 мм; £S40 = +0,16 мм; £/35 = 0; £/60 = —0,30 мм; £/20 = 0; £/40 = 6.
Из формул (5.3) и (5.4) получаем:
£5Л0 = (£560 + £520) — (£/35 + £/40) =
= (0 + 0,13) - (0 + 0) = +0,13 мм;
£/Л0 = (£/60 + £/20) — (£535 + £540) = = (—0,30+ 0) — (0,16+ 0,16) = —0,62 мм.
Замыкающий размер —Ло = Координата середины поля допуска замыкающего звена в соответствии с формулой (5.8) будет равна ЕсА0 = £5Л0 — —	= 0,13 —	= - 0,245 мм.
РАСЧЕТ ДОПУСКОВ РАЗМЕРОВ СОСТАВЛЯЮЩИХ ЗВЕНЬЕВ ПО ВЕЛИЧИНЕ ДОПУСКА (ПОЛЯ РАССЕЯНИЯ) РАЗМЕРА ЗАМЫКАЮЩЕГО (ИСХОДНОГО) ЗВЕНА (ПРЯМАЯ ЗАДАЧА)
В расчетах технологических размерных цепей эта задача очень
часто решается при использовании способа пробных расчетов.
При этом на все составляющие звенья размерной цепи назначаются
допуски, экономически достижимые при предполагаемых видах об-
работки рассматриваемых поверхностей, соответствующие стандарт-
ным допускам определенных квалитетов точности ГОСТ или СЭВ.
После этого определяются величина ожидаемого поля рассеяния
размера замыкающего звена и0 и координата середины его поля рас-
сеяния £с(оо по формулам (5.2) и (5.10), в которых принимается, что ТА0 = соо.
132
Полученные значения соо и Есау0 сравниваются с требуемыми в проектируемом изделии допуском замыкающего звена и координатой середины поля его допуска. Если характеристики ожидаемого рассеяния превышают допускаемые значения колебаний замыкающего (в данном случае исходного) звена, то производится ужесточение допусков одного или нескольких составляющих звеньев, после чего производится проверочный расчет размерной цепи. Мек дом попыток и последовательных приближений устанавливаются искомые допуски.
С целью ускорения расчетов размерных цепей по этому способу экономически достижимые допуски и предельные отклонения часто назначаются для всех составляющих звеньев кроме одного, избранного в качестве регулирующего. Допуск ТАР определяется по формуле
т—2
ТАР = ТАО-У1ТА1.	(5.11)
i—1
Координаты середины поля допуска регулирующего звена ЕсДр = ЕсА„ - £ EcAi + £ EcAh	(5.12)
i=l	n+1
когда регулирующее звено является увеличивающим, и
Ес Ар = £ EcAt -	EcAi - Ес А.,	(5.13)
1=1	п+1
когда регулирующее звено является уменьшающим.
В качестве регулирующего звена может быть принято любое составляющее звено размерной цепи, однако в связи с тем, что в большинстве.случаев приходится производить ужесточение допуска регулирующего звена (по сравнению с другими звеньями), в качестве регулирующего удобно принимать звено, точная обработка и измерение которого не вызывают затруднений, а размер относительно велик.
Предельные отклонения для всех звеньев размерной цепи, кроме регулирующего, обычно назначаются, как для основных валов и отверстий, по размерам h и Н СТ СЭВ 145—75 или симметрично — в зависимости от типа поверхностей, к которым относятся определяемые допуски.
При расчете многозвенных размерных цепей для облегчения первоначального назначения экономически достижимых допусков на размеры составляющих звеньев в начале расчета определяется величина среднего допуска Тср по формуле
7cp=W(m-l).	(5.14)
Затем, учитывая производственные трудности выполнения отдельных составляющих размеров и их величину, производится корректировка значения среднего допуска в ту или иную сторону. Расположение полей допусков составляющих звеньев относительно их номинальных размеров первоначально производится из техно-
133
Рис. 5.5
Линейные размеры разъемного корпуса зубчатой передачи
логических соображений по принципу «допуск в металл», т. е. на охватывающие размеры устанавливаются допуски со знаком плюс, а на охватываемые —со знаком минус. Допуск размера глубины расточки (или наружной обточки) получает знак плюс, если сначала обрабатывается внешний торец, и от него выдерживается размер глубины расточки (или длина наружной обточки). При противоположной последовательности обработки на допуск глубины расточки устанавливается знак минус. Следование правилу «допуск в металл» облегчает рабочему выполнение размеров по чертежу, так как нарушение чертежных размеров в этом случае компенсируется полем допуска и неисправимый брак исключается. Отступление от размеров в противоположную сторону может быть устранено дополнительным снятием металла.
Окончательная проверка установленных допусков и предельных отклонений производится по формулам (5.2) и (5.10).
Пример 5.2. Установить допуски и предельные отклонения линейных размеров деталей части разъемного корпуса зубчатой передачи. изображенного на рис. 5.5, при условии обеспечения зазора Ав в пределах от 1,0 до 1,75 мм.
Линейные размеры: Аг = 140 мм, А2 = = 5 мм, Л3 = 101 мм, At = 50 мм, Д5 = 5 мм.
Решение. Замыкающим размером размерной цепи на рис. 5.5, б является зазор Лв = = 1+0’75 мм, ТА0 = 0,75 мм, Е1АВ = 0, ESAB = +0,75 мм, ЕсАв = +0,375 мм.
0 75
Величина среднего допуска по формуле (5.14) Тср — —р — 0,15 мм. Такая величина среднего допуска для размеров деталей рассматриваемого механизма примерно соответствует допускам 11-го квалитета точности, выполнение которых при данной конструкции деталей не вызывает технологических трудностей. В связи с этим на все размеры звеньев размерной цепи назначаются допуски по ЛИ и /711, 1. е.: А{ = 140_0 25 мм, Л2 = б_0 075 мм, А3 — 101 мм, Д4 = 5О+0,16 мм, А6 = ~ 5—0,076 ММ-
Проверка по формуле (5.2) показывает, что в этом случае колебания ь>0 исходного размера Ао превосходят величину установленного допуска ТА0 — 0,75 мм, так как ш0 = 0,25 + 0,075 + 0,22 + 0,16 + 0,075 = 0,78 мм, и заданное условие расчета ие выполнено. Это вынуждает выбрать регулирующее звено, размер которого должен быть обработан точнее 11-го квалитета, принятого для всех остальных размеров. В качестве регулирующего избирается размер At = 140 мм, выполнение и измерение которого не вызывает затруднений, а абсолютная величина допуска которого больше, чем у других размеров, и может быть уменьшена, не вызывая больших осложнений.
Допуск регулирующего звена А, определяется по формуле (5.11): TAt = = 0,75 — (0,075 + 0,22 + 0,16 + 0,075) = 0,22 мм.
Звено At является уменьшающим, поэтому координата середины поля допуска определяется для него по формуле (5.13)
ЕсА = (0,11 + 0,08) — (—0,0375 — 0,0375) — 0,375 = —0,11 мм.
134
Предельные отклонения регулирующего звена А^
л 99	О 99
-0,11+-^±=- = 0; EIAY = — 0,11 --^ = —0,22 мм.
Размер регулирующего звена At = 14О_о 22 мм.
Проверка. Согласно формуле (5.1): <4J“ = (Л™ах 4- Л™х) — (Л ™'п+ 4-Л™п+ Л™п) = (101,22 + 50,16) —(139,78 + 4,925 + 4,925)= 1,75 мм; Л^,п= = (Л51|п+ Л™‘п) - (Л™ах + Л™х + л5) = (101 + 50) — (140 + 5 + 5) = = 1,0 мм. Расчет сделан правильно.
Основными достоинствами метода расчета на максимум и минимум, обеспечивающего полную взаимозаменяемость деталей и сборочных единиц, являются: а) простота, высокая производительность и экономичность сборки изделий, сводящейся в этом случае только к соединению и фиксации отдельных деталей и не требующей высокой квалификации рабочих; б) простота нормирования сборочных операций, их синхронизации во времени и организации поточной сборки; в) возможность специализации и кооперирования предприятий по выпуску деталей и сборочных единиц; г) сокращение простоев машин при их ремонте и упрощение ремонта в связи с возможностью быстрой замены изношенных деталей новыми без пригонки и регулирования.
Крупнейшим недостатком метода расчета на максимум и минимум является необходимость ужесточения допусков составляющих звеньев пропорционально их количеству 1в соответствии с формулой (5.14)]. При большом числе звеньев допуски составляющих размеров получаются чрезвычайно жесткими и во многих случаях экономически невыполнимыми. В этом случае сочетание при сборке или при механической обработке всех увеличивающих размеров с верхними предельными отклонениями с уменьшающими размерами, изготовленными с нижними предельными отклонениями (и наоборот), маловероятно, а при значительном числе составляющих звеньев — практически невозможно.
По расчетам проф. Н. А. Бородачева, при равной вероятности получения составляющих звеньев с размерами, соответствующими любым точкам полей их допусков, вероятность наихудших сочетаний размеров у десятизвенной цепи составляет 0,0000000000002. Это значит, что если предприятие ежедневно выпускает по 1 млн. комплектов, то крайние сочетания размеров, рассчитанных по максимуму и минимуму, будут встречаться в среднем один раз в 10 000— 15 000 лет.
В связи с этим расчет на максимум и минимум должен применяться лишь для коротких размерных цепей, имеющих два-три составляющих звена. Технологические размерные цепи, связанные с расчетом размеров и допусков при смене технологических баз, при расчетах припусков на обработку и т. п. в большинстве случаев ограничены двумя-тремя составляющими звеньями и обычно рассчитываются на максимум и минимум.
135
При более длинных размерных цепях этот расчет целесообразен лишь для ориентировочных и приближенных решений, а также при дополнительных контрольных расчетах размерных цепей, имеющих звенья с резке различающимися допусками по их величине.
§ 5-3
МЕТОД НЕПОЛНОЙ ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМОСТИ
При расчете размерных цепей с числом составляющих звеньев более трех целесообразно принять в основу достижения точности метод неполной взаимозаменяемости с использованием вероятностного расчета. При использовании метода неполной взаимозаменяемости требуемая точность обеспечивается у заранее обусловленной части объектов путем включения в размерную цепь составляющих звеньев без их выбора, подбора или изменения их значений.
Расчет вероятностным методом, осуществляемый в этом случае, производится с учетом фактического распределения истинных размеров внутри полей их допусков и вероятности их различных сочетаний при сборке и механической обработке.
РАСЧЕТ ПОЛЯ РАССЕЯНИЯ (ДОПУСКА) ЗАМЫКАЮЩЕГО ЗВЕНА ВЕРОЯТНОСТНЫМ МЕТОДОМ (ОБРАТНАЯ ЗАДАЧА)
В соответствии с положениями теории вероятностей суммирование случайных величин производится квадратически, причем сумма этих величин, в свою очередь, представляет собой случайную величину, изменяющуюся по определенному закону распределения. При этом закон распределения размеров замыкающего звена тем ближе к закону нормального распределения, чем больше составляющих звеньев имеет размерная цепь.
Наименьшее количество составляющих звеньев (т — 1), при котором происходит распределение размеров замыкающего звена по закону нормального распределения, составляет при распределении составляющих размеров цепи по законам: равной вероятности (т — 1) = 4, равнобедренного треугольника (закону Симпсона) (т — 1) = 3, нормального распределения (т — 1) = 2.
В практических условиях (особенно при проектных расчетах) законы распределения составляющих звеньев часто неизвестны, поэтому применение вероятностного метода расчета считается правильным при числе составляющих звеньев размерной цепи (т — — 1) £> 4.
С учетом сказанного выше поле рассеяния замыкающего звена соо или его допуск ТА0 [аналогично формуле (5.2)] определяется формулой	•
J36
равными ± lu, т. е.
Рис. 5 6
Пределы кривой рассеяния при практических расчетах
где t — коэффициент риска, характеризующий вероятность выхода отклонений замыкающего звена за пределы допуска (нормированный параметр распределения).
В формуле (5.15) принято, что поля рассеяния размеров составляющих звеньев ыг равны допускам на их изготовление TAt.
Несмотря на то, что ветви кривой нормального распределения уходят в бесконечность, при практических расчетах поле рассеяния ограничивается некоторыми пределами (рис. 5.6), зависящими от величины среднего квадратического о, to = (Lcp 4- tu) — (Lcp — to) = 2/о, где Lcp — среднее арифметическое значение случайной величины; to — поле рассеяния случайной величины; t = = (Lt — LCp)/u — нормированный параметр распределения, или коэффициент риска.
При расчетах значения t выбираются в зависимости от принятой вероятности Р (риска) выхода значений L за пределы поля допуска Т. При расчетах на основе закона нормального распределения величина может быть выбрана по приведенной выше табл. 2.4.
Вероятностный расчет размерных цепей обычно производится в случаях, когда число их составляющих звенье
распределение размеров замыкающего звена подчиняется закону нормального распределения независимо от законов распределения составляющих звеньев. При этом принимается t = 3, когда процент риска выхода за пределы допуска составляет 0,27 %. Практически в этом случае количество деталей или сборочных соединений, выходящих за пределы допуска, не превышает 3 шт. на 1000 шт. изделий.
Относительное среднее квадратическое отклонение, характеризующее закон рассеяния размеров составляющих звеньев или их отклонений, определяется по формуле
Хг = 2<тг'иг = 1//.
Величина коэффициента составляет:
— 1) > 4, т. е. когда
I для закона нормального распределения..................
г-	1
»	» Симпсона.......................................-х
О
1
»	» равной вероятности .............................—
При механической обработке заготовок на настроенных станках распределение полученных размеров подчиняется закону нормального распределения при легко выдерживаемых допусках (9—10-го
137
квалитетов и грубее). При средней точности обработки (7—8-й квали-теты) распределение соответствует закону Симпсона и при очень жестких допусках (5—6-й квалитеты) —закону равной вероятности.
При распределении размеров составляющих звеньев по закону нормального распределения для линейной размерной цепи с (т — —1)^4 формула (5.15) приобретает вид
/т—1
ХТА1.
(5.16)
Расчеты по формуле (5.15) могут быть упрощены прн введении в нее величины коэффициента относительного рассеяния kt. Этот коэффициент характеризует степень отличия распределения погрешностей т-го звена от нормального распределения, которому обычно подчиняются погрешности замыкающего звена, и может быть определен из выражения kt = Хг/Х.н или
Численные значения коэффициента относительного рассеяния для основных законов распределения были приведены в гл. 2.
Значение kt связано с величинами I и X соотношением kt = поэтому (после соответствующих подстановок) формула (5.15) для линейных размерных цепей может быть представлена в виде
(5-17)
При проектных расчетах размерных цепей, когда законы распределения размеров составляющих звеньев неизвестны, условно принимается распределение всех звеньев одинаковым, соответствующим закону Симпсона. Тогда значение X/ в формуле (5.15) принимается равным 1/6, а значение = 1,2.
В этих случаях формула (5.17) приводится к простому выражению
(5.18)
При вычислении предельных значений замыкающего звена вероятностным методом имеет значение симметричность расположения размеров составляющих звеньев внутри их полей рассеяния (или внутри полей их допусков).
При симметричном расположении размеров составляющих звеньев At координата середины поля рассеяния замыкающего звена Еса0 и координата середины поля допуска ЕсА0 определяются по формуле (5.10).
Затем рассчитываются значения предельных отклонений замыкающего звена по формулам (5.8) и (5.9), которые приобретают вид:
£5Л0 = Есы0 + (о0/2;	(5.19)
Е1Ай — Есы0 — (£>0/2,	(5.20)
или по формулам (5.3) и (5.4).
138
В гл. 2 было указано, что при несимметричном расположении размеров составляющих звеньев центры их группирования и середины полей допусков не совпадают друг с другом (см. рис. 2.11).
Смещение центра группирования отклонений составляющих звеньев характеризуется величиной коэффициента относительной асимметрии ah величина которого определяется формулой (2.14).
Значения а, находятся в пределах от 0 до ±0,5 и определяются опытным путем или находятся из соответствующих таблиц. В проектных условиях обычно принимают щ = 0 для всех составляющих звеньев размерной цепи (условно принимая распределение их отклонений симметричным).
Координата центра группирования EmAt (математическое ожидание отклонений) составляющего звена линейной размерной цепи определяется формулами:
EtnAt — Еса„ -|- a^j‘2	(5.21)
или
EmAt = EcAt + а^А^Ч..	(5.22)
Смещения центров группирования отклонений составляющих звеньев могут происходить в разные стороны и, являясь систематическими погрешностями, суммируются алгебраически, вызывая смещение центра группирования отклонений замыкающего звена.
Координата центра группирования отклонений замыкающего звена (математическое ожидание его отклонений) ЕтАй линейной размерной цепи определяется выражением:
п	_>	т—1
£M/l0=V(^. + ct(-^)_2^. + aj_^)	(5.23)
i= 1	n-H
ИЛИ п	т—1
ЕтАа = V (^EcAt + eq- £ (ЕсЛ, + а,-^-) • (5.24) 1=1
Ранее было указано, что рассеяние отклонений замыкающего звена многозвенной размерной цепи, имеющей число составляющих звеньев (т — 1)	4, подчиняется закону нормального распределе-
ния независимо от законов и формы кривых распределения составляющих звеньев, поэтому кривая рассеяния замыкающего звена является симметричной кривой Гаусса, положение которой определяется координатой центра группирования ЕтА0, одинаковой в этом случае с координатой середины поля рассеяния Еса>0 (рис. 5.7). В связи с этим предельные отклонения размера замыкающего звена могут быть вычислены по формулам (5.8) и (5.9), приобретающим вид:
Е5Д0 = ЕтА0 ± <оо/2;	(5.25)
Е1А0 = ЕтА0 —соо/2.	(5.26)
Пример 5.3. Решить пример 5.1, применяя вероятностный метод расчет», когда законы распределения размеров составляющих звеньев неизвестны.
139
Решение. Принимаем а, = 0; kt = 1,2. Номинальный размер замыкающего звена [согласно формуле (5.1)] остается неизменным, т. е. Ае = 5 мм. Поле рассеяния замыкающего звена [согласно формуле (5.17)] определяется в виде <оо = = 1,2 Ko.lG2 + 0,302 + 0,132 + 0,162 = 0,477 мм. Координата середины поля рассеяния замыкающего звена Есы0 совпадает с координатой середины поля допуска ЕсА0, найденной в примере 5.1, т. е. £аоо = ЕсА0 = —0,245. Согласно формулам (5.6) и (5 7), предельные отклонения ESAB — Em- -J- <о0/2 = —0,245 + + 0,477/2 = —0,007 мг Е1А0 = Ет, — соо/2 = —0,245 — 0,477/2 = —0,484 мм. Замыкающий размер — А = 5~o’4g.J мм.
Сопоставление результатов расчетов примеров 5.1 и 5.3 показывает, что поле рассеяния (допуск) замыкающего звена, вычисленное вероятностным методом, в 0,75/0,477 = 1,57 раза меньше поля рассеяния (допуска), рассчитанного на максимум и минимум.
Рис. 5.7
Координата центра группирования ЕтА0 и координата середины поля рассеяния Ес(л0 симметричной кривой Гаусса
Соответственно изменяются и предельные отклонения размеров замыкающего звена.
Пример 5.4. Решить задачу предыдущего примера для случая, когда kt = = 1,2, «1=0, «а = +0,45, а3 = +0,35, а4 = —0,2.
Решение. Поле рассеяния сохраняется одинаковым с предыдущим примером, т. е. <оо = 0,477 мм. Координата центра группирования (математическое ожидание) отклонений замыкающего звена [согласно формуле (5.23)] будет равна
ЕтАе = ^ — 0,15 + 0,45	+ 0,065 + 0,35	-
— ^0,08 + 0^ + 0,08 — 0,2^?) = — 0,139 мм.
РАСЧЕТ ДОПУСКОВ СОСТАВЛЯЮЩИХ ЗВЕНЬЕВ
Допуски размеров составляющих звеньев при расчете размерных цепей вероятностным методом определяются принципиально так же, как и при их расчете на максимум и минимум. Различие сводится в основном к замене арифметического суммирования геометрическим.
При использовании способа пробных расчетов после назначения допусков на все размеры составляющих звеньев линейной размерной цепи производится сравнение величины поля рассеяния замыкающего (исходного) размера с его заданным допуском. При этом вместо формулы (5.2) используются формулы (5.16) или (5.17). Координата середины поля рассеяния (так же как и при расчете на максимум и минимум) определяется по формуле (5.10).
140
Расчет начинается с определения величины среднего допуска со-ставляющеих звеньев. При этом вместо формулы (5.14), применяемой при расчете на максимум и минимум, используется формула, приведенная ниже,
Т’ср = ТЛ0/(1,2/т — 1).	(5.27)
Если по результатам расчета средняя точность размеров составляющих звеньев соответствует 11-му или 12-му квалитету, то метод неполной взаимозаменяемости считается подходящим для решения данной размерной цепи и определенный в результате расчета ква-литет принимается в основу для установления допусков размеров всех составляющих звеньев, кроме регулирующего.
Если по расчетам требуемая средняя точность размеров составляющих звеньев характеризуется 7—9-м квалитетами, то достижение требуемой точности замыкающего звена методом неполной взаимозаменяемости является невозможным, что делает необходимым использование метода регулирования, или пригонки.
При установлении расчетом необходимости обеспечения точности размеров составляющих звеньев в пределах 10-го квалитета вопрос о возможности ее достижения должен решаться путем дополнительного анализа технологических особенностей изготовления деталей, входящих в данную размерную цепь.
Ранее было указано, что в качестве регулирующего звена рекомендуется выбирать звено с наибольшим номинальным размером, выполнение и измерение которого не вызывают технологических трудностей.
На все размеры рассчитываемой цепи назначаются допуски го h и Н установленного квалитета точности.
Правильность назначения допусков проверяется по формулам
При необходимости после этого производят выбор и расчет допуска регулирующего звена по формуле
1	/	т—2
ТАр = ±Д/ TAl-^klTA^,	(5.28)
где /?р — коэффициент относительного рассеяния размера регулирующего звена.
Координата середины поля допуска размера регулирующего звена ЕсАр определяется в случаях, приведенных ниже, по соответствующим формулам. Если регулирующее звено являемся увеличивающим, то определяют по формуле (5.29)
п—1
ЕсАр = ЕсА0 - (EcAt + af + i=i m—I	-4.
•ф 2 (ЕсЛг + at ) — ар T-Q.	(5.29)
п+1
141
Если регулирующее звено является уменьшающим, то по формуле (5.30) п	+	т—2	ч-
ЕсАр = (Ес^ + а‘ 24£) - 2 т) ~ ЕсА°- (5'30) 1=1	п+1
Предельные отклонения размера регулирующего звена так же, как и при расчете на максимум и минимум, находятся по несколько измененным формулам (5.6) и (5.7).
Пример 5.5. Для условий примера 5.2 установить допуски и предельные отклонения линейных размеров, пользуясь вероятностным методом.
Решение. Определяется средний допуск составляющих звеньев по формуле (5.27)
Эта величина допуска для среднего размера деталей данного примера приблизительно соответствует точности 12-го квалитета. В связи с этим на все размеры составляющих звеньев рассчитываемой размерной цепи устанавливаются допуски по Л12 и /712:
= 14О_о>4о мм, Л2 = 5_0>12 мм, Л3 = 101+°’35 мм, Л4 = 5О+0,25 мм,
Л5 — 5_о12 мм.
Поле рассеяния размеров <о0 замыкающего (исходного) звена [согласно формуле (5.26)] при этом составляет
<оо= 1,2 К0,402 + 0,122	0>352	0,252 + 0> ]22 = 0 734 мм>
т. е. меньше установленного допуска исходного размера ТА„ = 0,75 мм. В связи с этим отпадает необходимость в ужесточении допуска регулирующего звена, однако сохраняется необходимость в расчете фактических отклонений размера замыкающего звена при принятых допусках на составляющие размеры.
Координата середины поля рассеяния Есыв замыкающего звена по формуле (5.12) определяется выражением £с<оо = 0,175 + 0,125 — (—0,2 — 0,06 — 0,06) = ТАп = 0,62 мм, тогда как по заданным условиям она должна быть равна ЕсАв = —~~ =
0,75
= —— = + 0,375 мм. Соответственно завышенными окажутся и фактические зна-
чения ESAB и Е1А0, поэтому исходные условия задачи не выполняются.
Для уменьшения величины координаты середины поля рассеяния в данном случае целесообразно принять для размеров Л2 и Л5 допуски по /712, т. е. Л2 — — Л5 = 5-Н>-12 мм.
Тогда координата середины фактического поля рассеяния замыкающего (исходного) размера Есыв определяется из выражения Есшв = 0,175+ 0,125 —(—0,2 + + 0,06 + 0,06) = 0,38 мм. Соответственно: £5Л0 = 0,38 + 0,734/2 — 0,747 мм; Е1Аа = 0,38 — 0,734/2 = 0,13 мм, т. е. фактические размеры замыкающего звена Ло = Е^одз7 находятся в границах установленного допуска Ло = 1+0,75 мм и поставленная задача расчета выполнена.
Сопоставление результатов расчетов в примерах 5.2 и 5.5 показывает, что применение вероятностного метода расчета позволяет существенно (в данном случае в 1,6—1,8 раза) расширить допуски на обработку заготовок по сравнению с допусками, устанавливаемыми расчетом на максимум и минимум.
142
Глава 6
БАЗИРОВАНИЕ И БАЗЫ В МАШИНОСТРОЕНИИ
§ «Л
БАЗЫ И ОПОРНЫЕ ТОЧКИ
ПОЗИЦИОННЫЕ СВЯЗИ И БАЗИРОВАНИЕ
Для правильной работы каждой машины необходимо обеспечить определенное взаимное расположение ее деталей и узлов.
При обработке деталей на станках заготовки также должны быть правильно ориентированы относительно механизмов и узлов станков, определяющих траектории движения подачи обрабатывающих инструментов (направляющих суппортов, фрезерных и резцовых головок, упоров, копировальных устройств и др.). Погрешности формы и размеров обработанных заготовок определяются отклонениями положений режущих кромок и заготовок от траектории заданного формообразующего движения. Задачи взаимной ориентировки деталей и сборочных единиц в машинах при их сборке и заготовок на станках при изготовлении деталей решаются их базированием.
В общем случае базированием называется придание заготовке или изделию требуемого положения относительно выбранной системы координат (ГОСТ 21495—76). Применительно к проектированию или сборке под базированием понимают придание детали или сборочной единице требуемого положения относительно других деталей изделия. При механической обработке заготовок на станках базированием принято считать придание заготовке требуемого положения относительно элементов станка, определяющих траектории движения подачи обрабатывающего инструмента.
Для выполнения технологической операции требуется не только осуществить базирование обрабатываемой заготовки, но также необходимо обеспечить ее неподвижность относительно приспособления на весь период обработки, гарантирующую сохранение неизменной ориентировки заготовки и нормальное протекание процесса обработки. В связи с этим при установке заготовок в приспособлениях решаются две различные задачи-, ориентировка, осуществляемая базированием, и создание неподвижности, достигаемое закреплением заготовок. Несмотря на различие этих задач, они решаются теоретически одинаковыми методами, т. е. посредством наложения определенных ограничений (связей) на возможные перемещения заготовки (механической системы) в пространстве.
Известно, что для полного исключения подвижности твердого тела в пространстве необходимо лишить его шести степеней свободы: трех поступательных перемещений вдоль осей координат и трех вращений вокруг указанных осей. Это достигается наложением связей.
Под связями подразумеваются ограничения позиционного (геометрического) или кинематического характера, накладываемые на
143
Рис. 6.1
Ориентировка призматического тела в пространстве
движение точек рассматриваемого тела (заготовки или детали). В соответствии с характером ограничений различают позиционные (геометрические) связи, ограничивающие перемещения, и кинематические связи, ограничивающие скорости. В технологии машиностроения приходится иметь дело, главным образом, с позиционными связями, не зависящими от времени и называемыми поэтому стационарными позиционными связями.
Для ориентировки призматического тела в пространстве необходимо соединить три точки щ, а2, а3 его нижней поверхности, не лежащие на общей прямой, двусторонними позиционными связями с плоскостью XOY прямоугольной системы координат (рис. 6.1). При этом двусторонние связи, символизируемые координатами z, могут быть представлены в виде недефор-мируемых стержней, сохраняющих, однако, способность скользить по плоскости XOY вдоль осей ОХ и 0Y, не отрываясь от нее и от нижней плоскости А призматического тела. В результате этого призматическое тело лишается трех степеней свободы, т. е., в частности, оно теряет возможность поступательного движения вдоль оси OZ и вращательного движения вокруг осей ОХ и 0Y. Для лишения тела еще двух степеней свободы,
т. е. лишения возможности перемещений вдоль оси ОХ и поворотов вокруг оси 0Z, необходимо соединит его боковую поверхность В двумя двусторонними связями (координатами х) с плоскостью YOZ. Для полной ориентировки тела в пространстве необходимо лишить его шестой степени свободы, т. е. возможности перемещения вдоль оси OY; для этого следует соединить поверхность С одной двусторонней связью у с плоскостью XOZ.
В рассмотренном случае недеформируемые стержни (координаты х, у, г) представляют собой двусторонние «идеальные связи» х, число которых (шесть) соответствует числу степеней свободы, отбираемых у тела при наложении связей. Шесть наложенных двусторонних позиционных связей обеспечивают заданную ориентировку тела относительно системы координат OXYZ и фиксирование тела в данном положении.
Изображенное на рис. 6.1 призматическое тело с наложенными на него двусторонними связями представляет собой по терминологии теоретической механики несвободную механическую систему. Несвободной называется механическая система (твердое тело), на дви-
® Под «идеальными связями» понимаются идеализированные связи без трения. 144
стороны.
двусторонней связи представляет
Рис. 6.2
Схема двусторонней (а) н односторонней (tf> связей
жения точек которой наложены геометрические (позиционные) или кинематические связи.
Примером двусторонней связи (рис. 6.2, а) может служить связь абсолютно гладкого шара, расположенного между двумя абсолютно гладкими плоскостями (при отсутствии сил трения в точках контакта шара с этими плоскостями). Очевидно, что контакт точек шара А и В с плоскостями исключает возможность его движения в направления оси 0Z в обе Математическое выражение собой равенство
zc — г = 0,	(6.1)
где гс — координата центра; г — радиус шара.
Рассматриваемая двусторонняя связь накладывает ограничение на перемещение и поэтому называется позиционной (геометрической). В то же время она является идеальной, так как осуществляется между абсолютно гладкими поверхностями без трения.
Очевидно, что при наложении одной двусторонней связи, исключающей движение шара в направлении оси OZ, т. е. лишающей его одной степени свободы, он сохраняет возможность перемещений вдоль осей ОХ и 0Y и вращения вокруг всех осей координат, т. е. сохраняет пять степеней свободы. При этом следует отметить, что для осуществления одной идеальной двусторонней связи в примере (рис. 6.2, а) потребовались две точки контакта шара с плоскостями. Это обусловлено тем, что связь может накладываться только абсолютно твердыми телами (либо их аналогами и невесомыми нитями). Таким образом, при наложении связей число лишаемых ими степеней свободы твердого тела часто не равняется числу точек контакта. Например, при двусторонних идеальных связях (т. е. связях без трения) число связей вдвое меньше числа точек контакта, а при неидеальных односторонних связях (т. е. связях с трением) число связей оказывается больше числа точек контакта.
Положение механической системы с наложенными двусторонними позиционными связями в пространстве в каждый момент времени может быть определено произвольными параметрами, например координатами х, у, г.
Каждому набору этих параметров соответствует определенная конфигурация системы. Число параметров (например, координат), от которых зависит конфигурация системы в произвольный момент времени, определяет число степеней свободы, отнятых у системы.
Для фиксирования заданной конфигурации системы необходимо создать условия, исключающие возможность изменения параметров,
145
т. е. нужно лишить ее всех шести степеней свободы. Для этого необходимо наложить на твердое тело шесть двусторонних связей.
Ниже будет показано, что в практических условиях проектирования приспособлений задача фиксации решается созданием зажимных устройств.
В реальных условиях базирования заготовок в приспособлениях или деталей в сборных элементах машин двусторонние позиционные связи, представляемые на рис. 6.1 координатами х, у, г, заменяются непосредственным контактом соответствующих поверхностей или опорных точек заготовок и приспособлений или других деталей машин. При этом число опорных точек, обеспечивающих базирование заготовки, должно быть равным числу заменяемых ими двусторонних позиционных связей.
Возникающие при этом позиционные связи не могут быть отнесены к категории двусторонних, а являются односторонними связями (рис. 6.2, б), математическое выражение которых может быть представлено неравенством
гс — г 0.	(6.2)
При соблюдении в выражении (6.2) знака равенства (что бывает при контакте шара с плоскостью в точке Л) односторонняя связь исключает движение шара по нормали к плоскости. При соблюдении неравенства, т. е. при отсутствии контакта шара с плоскостью, ограничения на движения шара не накладываются и эти конфигурации называются обыкновенными.
Если при односторонних связях хотя бы одно из математических выражений связи обращается в равенство, то конфигурация системы называется пограничной. Односторонние связи только тогда накладывают ограничения на возможные перемещения системы, когда эти перемещения исходят из пограничных конфигураций.
Пограничные конфигурации обычно реализуются приложением сил. В рассмотренном примере (рис. 6.2, б) для абсолютно гладкой плоскости пограничная конфигурация характеризуется контактом гладкого шара в точке А, что осуществляется соответствующим приложением силы по оси OZ (например, приложением силы тяжести). Однако приложение силы не превращает одностороннюю связь в двустороннюю, так как ограничение перемещения может накладываться только абсолютно твердыми телами, а не силами.
При установке заготовок на опорные точки приспособлений каждая из опорных точек реализует одну одностороннюю связь в пограничной конфигурации, т. е. обязательно дополняется силой (сила тяжести или прижима).
При этом под «опорной точкой» подразумевается идеальная точка контакта поверхностей заготовки и приспособления, лишающая заготовку одной степени свободы, делая невозможным ее перемещение в направлении, перпендикулярном опорной поверхности.
В этом определении опорная точка названа идеальной потому, что в действительности в реальных условиях базирования материальная опорная точка приспособления в сочетании с приложенной к за
146
готовке силой лишает заготовку не одной, а трех степеней свободы, так как не только ограничивает возможные перемещения заготовки по нормали к опорной плоскости, но и воздействием сил трения исключает возможность перемещений заготовки вдоль осей ОХ и 0Y.
При замене координат х, у, г (рис. 6.1) опорными точками (рис. 6.3) положение тела относительно выбранной системы координат остается полностью определенным. Опорные точки здесь отображают шесть идеальных связей (т. е. связей без трения), которые в данном случае являются односторонними и лишают тело шести степеней свободы. Пограничная конфигурация реализуется в приспособлениях созданием усилий прижима при закреплении заготовок.
Рассматривавшиеся ранее позиционные связи являются идеальными связями или связями без трения. Реальные связи, возникающие при базировании, всегда являются неидеальными. Неидеальную позиционную связь (т. е. связь с кулоновым трением) можно условно представить как составную, включающую соответствующую по характеру ограничений идеальную связь (одностороннюю или двустороннюю) и так называемую фрикционную связь, порождаемую трением с касательным взаимодействием в точках контакта.
Для фрикционных связей можно указать свойства, которые аналогичны односторонним связям. В частности, для их реализации
необходимо при помощи приложенных к телу сил создавать контактные давления в точках контакта с телами, осуществляющими связь. При этом пограничные конфигурации соответствуют условиям:
Лдв = F; F = [N,	(6.3)
Z
Рис. 6.3
Базирование призматической заготовки в приспособлении
где F — предельная касательная реакция связи (сила трения); Дсдв — проекция сдвигающей силы на направление касательной; N—нормальное условие; f—коэффициент трения покоя.
Фрикционная связь реализуется только при выполнении условия: Рспв < F или М„ < Мтр,	(6.4)
где Мп —момент активных сил относительно оси п, нормальной к поверхности трения в полюсе трения; 7WTP — момент сил трения относительно той же оси.
Необходимо подчеркнуть, что конфигурация системы определяется наложенными на нее идеальными позиционными, а не фрикционными связями. В связи с этим при базировании (ориентировке) заготовки в приспособлении имеют значение числа и расположение идеальных опорных точек, а не фрикционных связей. Число идеальных опорных точек в приспособлении можно условно считать равным числу степеней свободы, отнимаемых у заготовки при базировании в данном приспособлении. Возникающие при установке заготовки
147
Рис. «.4
Базирование призматической заготовки на плоскости магнитного стола
фрикционные связи лишают ее подвижности и способствуют ее закреплению, но не участвуют в базировании заготовки.
Пусть, например, тело (плоская стальная заготовка) лежит па магнитной плите станка, создающей контактное давление в опорных точках alt а2, а3 (рис. 6.4). При этом на тело наложены три идеальные односторонние позиционные связи, лишающие тело трех степеней свободы и определяющие его положение в направлении оси 0Z, а также углы поворота вокруг осей ОХ и OY (заготовка расположена параллельно плоскости XOY). Углы поворота заготовки вокруг оси 0Z и ее положения в направлениях осей ОХ и OY ничем не ограничиваются, и она сохраняет три степени свободы. После включения магнитных сил возникают фрикционные связи, исключающие возможность каких-либо перемещений заготовки и обеспечивающие ее неподвижность; однако ее положение в направлениях осей 0Z остается по-прежнему не
определенным, различным для разных заготовок партии.
В приспособлениях, когда на обрабатываемую заготовку накладываются односторонние связи, фрикционные связи могут создавать погрешности базирования. Так, например, если при базировании призматической заготовки (рис. 6.3) приложить силу в плоскости, параллельной плоскости XOZ, то при соответствующем направлении этой силы можно обеспечить контакт в точках alt а2, о3 и blt Ьг. Тогда для реализации контакта в точке с необходимо выполнить условие (6.3) для фрикционных связей, возникающих в указанных точках. Очевидно, что нестабильность в величинах коэффициента
ОХ и 0Y и повооотов вокпуг оси
трения и замыкающего усилия, реализующего контакт в точке с, будет источником погрешностей при базировании.
Правило шести точек. Для полного базирования заготовки в приспособлении необходимо и достаточно создать в нем шесть опорных точек, расположенных определенным образом относительно базовых поверхностей заготовки.
ПОНЯТИЕ О БАЗАХ
Поверхности заготовок или деталей, используемые при базировании, называют базами.
В зависимости от числа идеальных опорных точек, с которыми база находится в контакте, и, следовательно, в зависимости от числа отнимаемых при этом степеней свободы у призматических заготовок и деталей различают установочную базу А, находящуюся в контакте с тремя опорными точками, направляющую базу В, находящуюся в контакте с двумя опорными точками, и упорную базу С, имеющую контакт с одной опорной точкой (см. рис. 6.3).
•148
Рнс. 6.5
Ориентировка длинного цилиндрического тела в пространстве
Каждая из названных баз определяет положение заготовки относительно одной из плоскостей системы координат в направлении, перпендикулярном к этой базе, т. е. в направлении одной из координатных осей. Очевидно, что для полной ориентировки заготовки в приспособлении необходимо использовать комплект из всех трех баз.
Для повышения точности и надежности ориентировки заготовки и детали в качестве установочной базы принимают поверхность с наибольшими размерами, позволяющую расположить три опорные точки, лежащие не на одной прямой, на значительном расстоянии друг от друга; в качестве направляющей базы с той же целью принимают самую длинную поверхность. Для упорной базы может быть использована поверхность любых (даже самых малых) размеров при условии достаточно хорошего ее состояния и постоянства формы (отсутствие литников, заусенцев, литейных швов, линий разъема штампов ит. п.).
В связи с тем, что опорные точки создают односторонние связи, которые накладывают ограничения на перемещения тел, только тогда, когда перемещения исходят из пограничных конфигураций, возникающих обычно при приложении сил, опорные точки приспособлений допо
лняются прижимами, обеспечивающими постоянство контакта баз с опорными точками. При этом количество прижимов в приспособлении обычно не изменяет числа созданных связей и в расчет требуемых опорных точек не входит
Для ориентировки длинного цилиндрического тела (Z > d) в пространстве необходимо соединить его цилиндрическую поверхность А двумя двусторонними связями — координатами г с плоскостью XOY и двумя связями —координатами х с плоскостью YOZ (рис. 6.5), лишая этим тело четырех степеней свободы (возможности перемещения вдоль оси ОХ и вдоль оси 0Z, а также поворотов вокруг оси ОХ и вокруг оси OZ). Для устранения возможности перемещения тела вдоль оси 0Y необходимо соединить его торец С двусторонней связью — координатой у с плоскостью XOZ. Для лишения тела шестой степени свободы (возможности поворотов вокруг собственной оси) должна быть предусмотрена шестая двусторонняя связь в виде опорной точки, располагаемой на поверхности шпоночной канавки В.
В реальных условиях базирования четыре двусторонние связи заменяются четырьмя опорными точками, находящимися в контакте
1 Исключением являются рассматриваемые ниже случаи применения так называемых «направленных зажимов», несущих на себе идеальные опорные точки и соответственно лишающих заготовку определенного числа степеней свободы.
149
с цилиндрической поверхностью А, называемой двойной направляющей базой. Торцовая поверхность С, на которой располагается пятая опорная точка, называется опорной базой, а шпоночная канавка В, являющаяся шестой опорной точкой, которая заменяет шестую двустороннюю связь, называется второй опорной базой.
При проектировании приспособлений в случае базирования длинных цилиндрических заготовок часто используются призмы, создающие четыре опорные точки для двойной направляющей базы. При необходимости полного базирования призмы применяются в со-
четании с упорами, лысками и пазами, щие упорные базы (рис. 6.6).
Несколько иначе следует рассматривать базы прн ориентировке
образующими соответствую-
Рис. 6.7
Базирование диска
Рис. 6.6
Базирование валика в призме
цилиндрических заготовок и деталей типа тонких дисков, длина которых значительно меньше диаметра. Очевидно, что в этом случае цилиндрическая поверхность уже не может выполнить функции двойной направляющей и находится в контакте с четырьмя опорными точками. С другой стороны, относительно большие размеры торцовой поверхности делают возможным размещение на ней трех опорных точек, что вносит определенность в ориентироку заготовки в пространстве.
В соответствии с этим при ориентировке в пространстве короткого цилиндрического тела (типа тонкого диска) необходимо соединить его торцовую поверхность А (рис. 6.7) тремя двусторонними связями (координатами) у с плоскостью XOZ. При этом__т£ло ли-, шается трех степеней свободы: возможности перемещения вдоль оси 0Y и поворотов вокруг осей ОХ и 0Z. Для лишения тела возможности перемещения вдоль осей ОХ и 0Z следует соединить его цилиндрическую поверхность В двусторонними связями, т. е. координатами х и г, с плоскостями XOY и YOZ\ шестая двусторонняя связь, лишающая тело возможности поворотов вокруг собственной оси, параллельной оси 0Y, создается помещением опорной точки на поверхности шпоночной канавки С.
При соответствующей замене двусторонних связей опорными точками торцовая поверхность А (рис. 6.7) диска, контактирующая с тремя опорными точками, лишающими диск трех степеней свободы, 150
называется установочной базой; цилиндрическая поверхность В, контактирующая с двумя опорными точками и соответственно отбирающими у диска две степени свободы, называется двойной опорной (или центрирующей) базой, а поверхность шпоночной канавки С, лишающая диск одной степени свободы, —опорной базой. Так же, как и при ориентировке длинных цилиндрических поверхностей, при ориентировке дисков часто бывает удобно использовать призмы.
Специфические особенности имеет ориентировка в пространстве конических заготовок и детален.
При установке заготовки или детали по длинной конической поверхности с относительно небольшой конусностью (отверстия в шпинделях станков, конусные хвостовики режущих инструментов, конические оправки «трения») коническая поверхность лишает деталь пяти степеней свободы (перемещения вдоль всех трех осей координат и поворотов вокруг двух осей системы координат), оставляя ей только одну степень свободы — возможность поворотов вокруг собственной оси, которая может рассматриваться как третья ось системы координат. Таким образом, в этом случае коническая поверхность совмещает в себе функции двойной направляющей и опорной поверхности цилиндрической детали и может быть названа опорно-направляющей базой. Очевидно, что для полной ориентировки конической заготовки или детали в пространстве необходимо лишить ее еще одной степени свободы, разместив на одной из ее поверхностей шестую опорную точку (шпоночный паз, лыска), называемую опорной базой.
Таким образом, полное базирование длинной конусной детали, лишающее ее всех шести степеней свободы, достигается при использовании комплекта двух баз: упорно-направляющей и опорной.
При базировании заготовки по короткой конической поверхности с относительно большим углом конуса (как это имеет место при установке заготовки в центрах) условия базирования значительно меняются.
Коническая поверхность короткого центрового отверстия не в состоянии осуществлять функции направления оси заготовки, и ее возможности ограничиваются выполнением функции центрирования (аналогично цилиндрической поверхности диска, являющейся двойной опорной или центрирующей базой), а в некоторых случаях дополняются выполнением функции опорной базы. Несмотря на внешнее подобие задачи в ориентировке заготовки, роли, выполняемые левым и правым центровыми отверстиями, неодинаковы. Левое центровое отверстие, соприкасающееся с неподвижным в осевом направлении центром передней бабки, выполняет функции центрирования и определяет положение заготовки в осевом направлении. Таким образом, оно лишает заготовку трех степеней свободы (перемещения вдоль трех осей координат) и несет на себе три опорные точки. По выполняемой функции коническая поверхность переднего (левого) центрового отверстия называется опорно-центрирующей базой.
151
Функция заднего центрового отверстия, соприкасающегося с подвижным в осевом направлении центром задней бабки, ограничена осуществлением центрирования. Эта поверхность находится в контакте с двумя опорными точками и лишает заготовку двух степеней свободы (поворотов вокруг осей Y и Z системы координат). В соответствии с этим коническая поверхность заднего центрового отверстия называется центрирующей базой.
Следовательно, установка заготовки в центрах лишает ее пяти степеней свободы, сохраняя возможность вращения заготовки вокруг собственной оси. Очевидно, что в случае необходимости точной ориентировки положения заготовки с точки зрения ее поворота относительно оси (что бывает необходимо, например, в случае несимметричных заготовок на фрезерных станках при их установке в центрах, при нарезании многозаходных резьб и т. д.) следует использовать одну из дополнительных поверхностей заготовок в качестве опорной базы, вводя ее в контакт с шестой опорной точкой и лишая заготовку шестой степени свободы.
КОЛИЧЕСТВО БАЗ, НЕОБХОДИМЫХ ДЛЯ БАЗИРОВАНИЯ, И ИХ ОБОЗНАЧЕНИЯ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ
Во всех рассмотренных выше примерах полной ориентировки заготовки в приспособлении или детали в сборочном элементе машины использовался комплект из нескольких (в большинстве случаев из трех) баз, обеспечивающий лишение тела всех шести степеней свободы посредством введения баз в контакт с шестью опорными точками.
Необходимо отметить, что полная ориентировка детали бывает необходима только в неподвижных соединениях деталей сборочных единиц машин. Во всех случаях подвижных соединений детали или сборочные единицы должны сохранять определенные степени свободы и создания в соединениях шести опорных точек не требуется. Например, шпиндели станков должны быть лишены пяти степеней свободы при сохранении возможности вращения вокруг своей оси; салазки суппорта станка также должны сохранять одну степень свободы, позволяющую их перемещение по направляющим, а шарик шарикоподшипника должен иметь четыре степени свободы — возможности вращения вокруг любой из трех осей координат и перемещения вдоль одной из осей, направленной по касательной к окружности беговой дорожки.
При обработке заготовок на станках и их установке в приспособлениях во многих случаях также нет необходимости в полной ориентировке заготовок с использованием всего комплекта из трех баз, контактирующих с шестью опорными точками приспособления или станка. Так, например, при обработке плоскости призматической заготовки (рис. 6.8, а) ориентировка заготовки на станке в направлении горизонтальных осей координат для получения требуемого размера а не имеет значения, поэтому боковые поверхности заготовки теряют значение баз. В данном случае требуемая ориентировка 152
заготовки осуществляется только одной установочной базой А, а ее боковые поверхности используются только для закрепления и в базировании заготовки не участвуют.
Естественно, что для получения у заготовки двух размеров (например, а и b ня рис 6.8, б) возникает необходимость ее ориентировки не только с помощью установочной базы — поверхности А, но также и с помощью направляющей базы — поверхности Д. В случае же, изображенном па рис. 6.8, в, когда требуется обеспечить выполнение трех размеров а, b и с, для ориентировки заготовки
Рис. 6.8
Обработка заготовок при использовании одной (а, г), двух (д, (7, е) и трех (в) баз
необходимо использование всего комплекта из трех баз, т. е. поверхностей А, В, С
При обработке цилиндрических заготовок для их базирования во многих случаях тоже нет необходимости в использовании комплекта всех трех баз.
Например, при сквозном сверлении и растачивании заготовки, закрепленной в патроне, используется только одна двойная направляющая база А, находящаяся в контакте с четырьмя опорными точками (рис. 6.8, г). При растачивании ступенчатого отверстия, когда выдерживается линейный размер а, необходимо использовать две базы: двойную направляющую А и опорную — С (рис. 6.8, д).
При установке валиков в центрах (для обточки на токарных станках или наружного шлифования) они базируются по коротким крутым конусам петровых отверстий и, как указывалось ранее,
153
с помощью пяти опорных точек (рис. 6.8, е) лишаются пяти степеней свободы. При этом у валиков сохраняется шестая степень свободы — возможность вращения вокруг собственной оси, необходимая для осуществления обработки. При этом следует подчеркнуть, что обычно используемый в подобных случаях хомутик Отнюдь не является шестой опорной точкой, так как он не участвует в базировании загоювки и не ориентирует ее положения созданием определенных углов ее поворота вокруг оси, а служит только для передачи заготовке вращения.
Таким образом, в зависимости от технологической задачи, решаемой при обработке заготовки, при ее базировании в приспособлении или на станке могут быть использованы одна, две или три базы, несущие на себе в общей сложности три, четыре, пять или шесть опорных точек.
На рис. 6.8 цифрами в кружках показано число степеней свободы, отнимаемое у заготовки при базировании по разным схемам.
При проектировании технологических операций (после уточнения технологической задачи и количества необходимых для ее выполнения баз и идеальных опорных точек) на операционном эскизе изображается так называемая «теоретическая схема базирования».
Теоретическая схема базирования представляет собой схему расположения на технологических базах заготовки идеальных опорных точек и условных точек, символизирующих позиционные связи заготовки с принятой системой координат {опорные поверхности приспособлений, координатные плоскости станка и т. п.). При этом на контурных линиях поверхностей заготовок, принятых в качестве технологических баз, проставляются условные обозначения идеальных точек контакта заготовок и приспособлений, которые лишают заготовку соответствующего числа степеней свободы. Согласно ГОСТ 21495—76 идеальная опорная точка обозначается символами! "V —для вида сбоку и -ф- — для вида сверху. На скрытых базах заготовки (осевые линии, плоскости симметрии) наносятся аналогичные обозначения условных точек, символизирующих позиционные связи заготовок с принятой системой координат.
В случае необходимости, когда направление и место приложения зажимного усилия принципиально важны для качественного выполнения проектируемой операции (например, осевой зажим тонкостенной втулки при ее расточке), на теоретических схемах могут быть показаны не только опорные точки на базах, но и места приложения и направления усилий зажимов.
СКРЫТЫЕ (УСЛОВНЫЕ) БАЗЫ
В большинстве случаев сборки и механической обработки определенность положения детали в собираемом узле или обрабатываемой заготовки в приспособлении, т. е. их базирование, осуществляется непосредственно контактом из базовых опорных поверхностей с соот
154
ветствующими поверхностями других детален узла или приспособления.
Однако во многих случаях проектирования бывает удобно определить на чертежах взаимное расположение отдельных деталей в узлах и расположение отдельных поверхностей деталей и заготовок не по их поверхности, а по некоторым воображаемым плоскостям, линиям или точкам (плоскость симметрии, осевая линия, биссектриса угла, центровая точка), называемым в этом случае условными или скрытыми базами (ГОСТ 21496—76). Так, взаимное расположение зубчатых колес определяется расстоянием между их осями, рас-
стояние между призматическими деляется расстоянием между биссектрисами углов призм, а расположение отверстий в заготовке — их межцентровыми расстояниями.
Применение условных (скрытых) баз при проектировании тем более удобно, что позволяет исключить из расчетов неизбежные погрешности реальных поверхностей, снижающие точность базирования.
При базировании деталей собираемых узлов и обрабатываемых заготовок в подавляющем большин
направляющими станины опре
Гис. 6.9
Базирование втулки по а, б — материальной (явной) и по е, г — условной (скрытой) базам
стве случаев используются мате-
риальные поверхности («явные» базы по ГОСТ 21495—76), однако и в этом случае для повышения точности базирования иногда применяются условные (скрытые) базы, материализуемые различными устройствами (отвесы, коллиматоры, центрирующие устройства и т. п.). В этом случае на схемах базирования изображается не только расположение идеальных опорных точек на поверхностях материальных баз, но и расположение на скрытых базах (осях, плоскостях симметрии) условных точек, символизирующих связи заготовки с избранной системой координат.
Построение теоретических схем базирования бывает целесообразным при проектировании технологических операций обработки ответственных и точных заготовок для облегчения расчетов ожидаемых погрешностей взаимного расположения обрабатываемых поверхностей. При этом схема базирования может служить определенной инструкцией — заданием для конструктора приспособления по созданию его целесообразной конструкции. Так, например, изображенная на рис. 6.9, а схема базирования втулки предполагает при обработке наружной поверхности использование в качестве технологической базы материальной поверхности отверстия. Эта схема может быть реализована созданием жесткой цилиндрической оправки с гайкой (рис. 6.9, б), однако при этом возникает погрешность базирования, равная величине зазора между базовым отверстием втулки и жесткой оправкой. Эта погрешность, достигающая
155
величины допуска на отверстие втулки, вызывает эксцентриситет и биение обработанной наружной поверхности.
Теоретическая схема базирования (рис. 6.9, в) показывает, что обрабатываемая поверхность должна точно ориентироваться относительно оси отверстия и появление ее эксцентриситета и биения — недопустимо. Для исключения погрешности базирования, вызывающей эксцентриситет, должна быть создана (рис 6.9, г) беззазорная оправка (разжимная, конусная оправка трения, цилиндрическая с прессовой посадкой и т. п.).
Приведенный на рис. 6.9 пример показывает, что в большинстве случаев применения условных (скрытых) баз базирование в конечном счете осуществляется материальными поверхностями (в примере на рис. 6.9 — поверхностью отверстия), которые обеспечивают правильное расположение (т. е. базирование) на станке самих скрытых баз. Однако указание этих баз на теоретической схеме базирования способствует созданию требуемой для данного случая конструкции приспособления. Особенно полезную роль играют условные (скрытые) базы при использовании центрирующих зажимов.
Прн регулировании и сборке узлов и механической обработке с выверкой положения заготовки на станке базирование может осуществляться и по самим условным базам, которые в этом случае материализуются с помощью различных специальных устройств (см. ниже рис. 6.18 и 6.19).
БАЗИРУЮЩАЯ РОЛЬ НАПРАВЛЕННЫХ ЗАЖИМОВ1
Ранее указывалось, что зажимы, прикладываемые к заготовке при ее закреплении, создают фрикционные связи и, обеспечивая неподвижность заготовки, не участвуют в ее базировании и не изменяют число отнимаемых от заготовки степеней свободы. Это справедливо применительно к обычным «свободным» зажимам, т. е. к зажимам типа прихватов, эксцентриков, винтов и т. п. Однако при использовании несвободных зажимов, совершающих вполне определенное и точно направленное движение, а также при применении само-центрирующих зажимов и устройств они могут налагать на заготовку позиционные связи, т. е. базировать заготовку, лишая ее соответствующего числа степеней свободы, которое зависит от размеров и формы прижимной поверхности.
Когда заготовка 1 помещается на неподвижную базирующую плоскость 2 (рис. 6.10, а), то (в соответствии с рис. 6.1; 6.3 и 6.4) она лишается трех степеней свободы (возможности перемещения вдоль оси Z и вращения вокруг осей X и У).
Если базирующая плоскость 2 не является неподвижной, а представляет собой торцовую поверхность ползуна прижима, перемещающегося по направляющим параллельно оси Z (рис. 6.10, б), то связь, ограничивающая перемещения вдоль этой оси, оказывается
1 Раздел о роли направленных зажимов излагается по работе д-ра техн, наук, проф. И. А. Коганова.
156
снятой, и заготовка при базировании на торце подвижного ползуна
лишается только двух степеней свободы.
Если базовую плоскость 1 разместить на поверхности промежу
точной детали — качалке, ось вращения которой укреплена на ползуне параллельно оси Y (рис. 6.10, в), то базовая плоскость
приобретает еще одну степень свободы — возможность поворота вокруг оси Y. В результате (при такой конструкции зажима) бази
руемая заготовка лишается при закреплении только одной степени
свободы (возможности поворота вокруг оси X).
При замене качалки сферической опорой (рис. 6.10, г) прижим не накладывает на заготовку никаких дополнительных связей и функционирует как свободный зажим.
Общее число связей п, налагаемых на заготовку при закреплении
Рис. 6.11 .
Закрепление и одностепенное центрирование заготовки самоцентрирующими направленными звжимами (И. А. Коганов)
Рис. 6.10
Закрепление призматической заготовки 1 направленными зажимами
направленным зажимом (т. е. число степеней свободы, отнимаемых зажимом у базируемой заготовки), может быть определено по формуле
п — т — k,	(6.5)
где т — число опорных точек рабочей поверхности (поверхности контакта) зажима; k — число степеней свободы рабочей поверхности зажима.
С помощью направленных зажимов может быть достигнуто центрирование положения заготовок в приспособлениях.
При встречном движении двух направленных точечных (сферических) зажимов каждый из них [в соответствии с формулой (6.5)1 отдельно не налагает на закрепляемую заготовку дополнительных позиционных связей, однако в совокупности они образуют (в соответствии с рис. 6.11) одну двустороннюю связь и лишают заготовку одной степени свободы в направлении своего перемещения X. При одинаковой скорости встречного движения зажимов и одинаковой форме прижимных поверхностей точка приложения этой связи расположится на пересечении траектории движения зажимов по оси X с плоскостью симметрии Y (рис. 6.11, а), которая может
157
считаться в этом случае условной (скрытой) базой и на которой проставляется символическое обозначение налагаемой связи.
При этом осуществляется одностепенное центрирование заготовки, при котором одна ее плоскость симметрии — Y — совмещается с плоскостью симметрии, образованной установочными элементами приспособления.
Если скорость перемещения зажима 1 окажется больше, чем скорость перемещения зажима 2 (рис. 6.11, б), или если при равной скорости зажимов 1 и 2 один из них выполнен в форме призмы, положение условной базы смещается из положения плоскости
симметрии по длине заготовки (рис. 6.11, б, в).
При двухстепенном центрировании, когда две взаимно перпендикулярные плоскости симметрии заготовки совмещаются с двумя
Рнс. в.13 Двухстепенное центрирование н закрепление диска (И. А. Коганов)
Рис. 6.12
Закрепление н двухстепенное центрирование заготовки самоцентрирующими направленными зажимами (И. А. Коганов)
взаимно перпендикулярными плоскостями симметрии, образуемыми установочными элементами приспособления, две зажимные призмы двигаются с одинаковой скоростью навстречу друг другу (рис. 6.12, а). При этом каждая из призм [в соответствии с формулой (6.5)1 лишает заготовку одной степени свободы в направлении, перпендикулярном оси X (условная база), и обе они в совокупности лишают заготовку одной степени свободы в направлении оси X с наложением связи на условную базу — плоскость симметрии У. Таким образом, самоцентрирующие зажимы лишают заготовку трех степеней свободы.
Если одна из призм центрирующего зажима является неподвижной (рис. 6.12, б), то общее число опорных точек, размещаемых на условных базах заготовки, сохраняется равным трем, однако положение условной базы по оси У перемещается из положения плоскости симметрии (рис. 6.12, а) в положение плоскости, в которой лежат 158
точки а и б фактического контакта неподвижной призмы с заготовкой.
Двухстепенное центрирование заготовок типа диска может быть успешно осуществлено при встречном движении призмы и плоского зажима (рис. 6.13, а), когда скорость движения призмы — Упр —больше скорости движения плоского зажима — УпЛ ^Упр = = Упл/81п
При замене призмы двумя ползунами создается схема обычного трехкулачкового патрона (рис. 6.13, б). Каждый из ползунов представляет собой направленный зажим, соприкасающийся с заготовкой в одной точке, и в соответствии с формулой (6.5) сам по себе не лишает заготовку ни одной степени свободы, но совокупность трех кулачков, перемещающихся с одинаковой скоростью к центру, лишает заготовку двух степеней свободы (возможности движения вдоль осей X и Y). Условной базой заготовки в обоих случаях (рис. 6.13) является центральная точка заготовки.
Во всех рассмотренных случаях базирования направленными зажимами (рис. 6.9—6.13) фактическая ориентация (базирование) заготовок осуществляется по материальным поверхностям заготовок и зажимов, обеспечивая требуемое при данных операциях расположение в приспособлениях осевых линий, плоскостей симметрии и других условных (скрытых) баз. Поэтому, строго говоря, в этих случаях скрытые базы не являются базами в правильном смысле этого слова, так как они ничего не базируют, а только помогают созданию конструкции приспособлений, требуемой для решения данных технологических задач.
УСТАНОВКА ЗАГОТОВОК В ПРИСПОСОБЛЕНИЯХ
Процесс установки заготовок в приспособлениях или на станках состоит из их базирования (ориентировки) и закрепления.
Ранее указывалось, что для точной обработки заготовки необходимо осуществить ее правильное расположение по отношению к устройствам станка, определяющим траектории движения подачи обрабатывающего инструмента; обеспечить постоянство контакта баз с опорными точками и полную неподвижность заготовки относительно приспособления в процессе ее обработки. Первая задача решается технологом при создании теоретической схемы базирования заготовки, определяющим необходимое для решения данной технологической задачи число и расположение идеальных связей и опорных точек, а также устанавливающим соответствующие базовые поверхности заготовки.
При проектировании приспособления конструктор по оснастке обязан предусмотреть создание и расположение опор для базирования заготовки в точном соответствии с теоретической схемой базирования, созданной технологом.
При оформлении рабочей технологической документации (операционные карты) для упрощения и сокращения работы технолога рекомендуется вместо теоретических схем базирования наносить
159
Таблица 6.1
Условные обозначения опор, зажимов и установочных устройств, соответствующие ГОСТ 3.1107—81, и число лишаемых ими степеней свободы заготовок
Наименование	Условное обозначение				Число лишаемых степеней свободы
	Вид сбоку		Вид в плане		
			сверху	снизу	
Опора неподвижная			^7^		1
Опора подвижная					I
Опора плавающая					1
Опора регулируемая				9	—
Опора регулируемая со					
сферической выпуклой рабочей поверхностью					
Опора неподвижная с призматической рабо-	\ /		^7^	о	2
чей поверхностью Опора подвижная (зажим) с призматической					11
рабочей поверхностью Центр неподвижный (гладкий)					
					2 нли 3 2
		. -7			
Центр вращающийся	Ptz	—4			2 нли 3 2
Центр плавающий					2
					
					
Центр рифленый	^<1	/				2 или 3 2
	»	1				
Центр обратный враща-					
ющийся с рифленой по-			L			2 или 3 ?
			1			
верхностью Патроны двух-, трех-и четырех кулачковые с механическим зажимом	,2 .	3 <4	—	—	43
Патроны и оправки					
			1		4 3
цанговые					
160
Продолжение табл. 6.1
	Условное обозначение						Число
Наименование					Вид в	плане	мых
		Вид сооку			сверху	снизу	степеней свободы
							
Патроны и оправкн с ги-	Q/		за		—	—	4 3
дропластовым зажимом							
							
Патрон (зажим) пневматический		р .			—	—	4®
							
Патрон (зажим) гидравлический					—	—	4®
							
Патроны (зажимы) магнитный и электромагнитный		лк	w.		—	—	4з
		—					
							
Патрон (зажим) элек-										4®
трический		р -		•			
Патрон поводковый		1			—	—	—
Люнет неподвижный					—	—	—
Люнет подвижный							
							
Оправка цилиндрическая гладкая							54
			—		—		
Оправка цилиндрическая шариковая (роликовая) Оправки цилиндриче-							54
							
			—				
	а)		В)				5*
скне резьбовая (с) и	1 оХ/С			X/			
шлицевая (б)	///////////>						
							
6 Маталин А. А.
161
Продолжение табл. 6.1
Наименование
Условное обозначение
Вид сбоку	Вид в плзне	
	сверху	снизу
Число лишаемых степеней свободы
Оправка коническая роликовая
Зажим одиночный (механический)
Зажим сблокированный двойной (механический)
Зажим пневматический с цилиндрической рифленой рабочей поверхностью
Примечание. Если технологу требуется предопределить форму рабочей поверхности опор или зажимов, тогда она обозначается символами:---------плоская;
— сферическая; О — цилиндрическая (шариковая); О — ромбическая; \_/ — призматическая; V — коническая; V — трехграниая, которые проставляются слева от условных обозначений опор нли зажимов.
’ Подвижная опора с призматической рабочей поверхностью лишает заготовку одной степени свободы (совмещает центр окружности базируемой поверхности с биссектрисой призмы). Однако прн установке длинной заготовки типа шатуна в двух подвижных призмах, перемещающихся навстречу Друг Другу (т. е. самоцентрирующих шатун по длине), заготовка лишается трех степеней свободы (обеспечивается «направление» шатуна, так как устраняется возможность бокового перемещения каждой из его головок н определяется его положение в направлении его оси).
2 При неподвижном положении центра в осевом направлении, когда он не только центрирует заготовку, но и служит для нее упором (обычная работа переднего центра станка), заготовка лишается трех степеней свободы.
Когда центр «плавает» вдоль оси или перемещается вместе с пинолью закрепления заготовки (работа заднего центра), заготовка лишается двух степеней свободы (центр только центрирует заготовку).
• При закреплении в патронах и нз разжимных оправках по длинной цилиндрической поверхности (двойная направляющая база), независимо от числа кулачков н вида зажимного устройства, заготовка лишается четырех степеней свободы.
При закреплении по короткой цилиндрической поверхности патроны и оправки только центрируют заготовку в плоскости приложения кулачков и лишают ее двух степеней свободы. Направление оси заготовки при этом не определяется.
Если при закреплении в патронах и оправках предусматривается упор заготовки по торцу, определяющий ее положение в осевом направлении (упорная база), то заготовка лишается еще одной, т. е. пятой степени свободы, однако в этом случае иа операционном эскизе кроме обозначения патрона или оправки следует дополнительно показать опору по торцу заготовки.
* При базировании заготовки по длинному цилиндрическому гладкому, резьбовому илн шлицевому отверстию на соответствующей оправке с упором по торцу заготовка лишается пяти степеней свободы (четыре — по двойной направляющей базе — цилиндрической поверхности отверстия и одна по упорной базе — торцу базируемой заготовки).
При базировании коротких дисков цилиндрическая оправка также лишает заготовку пяти степеней свободы, однако по цилиндрической поверхности в этом случае осуществляется только центрирование заготовки с лишением ее двух степеней свободы. Направление осн диска обеспечивается его базированием по большой торцовой плоскости (установочная база, лишающая заготовку трех степеней свободы).
5 При установке заготовки цилиндрическим отверстием на конической беззапорной оправке трения илн конической роликовой оправке заготовка лишается пяти степеней свободы (длинный коиус —• упорно-направляющая база). Однако следует учитывать, что положение заготовки в осевом направлении в этом случае изменяется в широких пределах* * потому что погрешность базирования в этом направлении очень сильно зависит от колебаний диаметра базового отверстия в пределах его допуска, так как конусность оправки трения весьма мала.
362
на операционные эскизы условные обозначения опор, зажимов и установочных устройств, соответствующих ГОСТ 5.1107—81 (табл. 6.1), которые материализуют в реальных приспособлениях идеальные опорные точки.
В необходимых случаях в операционных эскизах для обозначения базовых поверхностей также допускается применение обозначения V -
Для упрощения эскиза раздельное изображение нескольких одноименных опор или опорных точек, расположенных на одной базирующей поверхности, для вида сбоку может быть заменено одним символом с указанием справа от него количества одноименных опор, необходимых для ориентировки данной поверхности в виде \Л 2; "V 3;	4;	5 или 2; "V 3; V 4; У/" 5. Обозна-
чения опор для вида сверху наносятся на эскизах отдельно друг от друга в соответствии с принятым их размещением.
Вторая задача, т. е. обеспечение контакта базовых поверхностей заготовки с опорными точками приспособления и полной неподвижности заготовки относительно приспособления в процессе ее обработки, решается при конструировании приспособления созданием необходимых зажимных устройств. В отличие от базирования заготовки, когда на нее накладывается различное число связей и она лишается трех, четырех, пяти или шести степеней свободы, во всех случаях закрепления заготовка должна быть лишена всех шести степеней свободы. Закрепление (зажим) заготовки основывается на использовании фрикционных связей, реализуемых в зажимных устройствах с разнообразными источниками силы (механическими, гидравлическими, пневматическими, магнитными, вакуумными и т. п.).
5 6.2
КОНСТРУКТОРСКИЕ, ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ БАЗЫ
В общем случае базой называется поверхность, линия или точка детали, по отношению к которой ориентируются другие детали изделия или другие поверхности данной заготовки при их конструировании, сборке, механической обработке или измерении. По своему назначению и области применения в машиностроении базы подразделяются на конструкторские, измерительные и технологические, используемые прн сборке или при механической обработке.
Конструкторская база — это база, используемая для определения положения детали или сборочной единицы в изделии (ГОСТ 21495—76). В обычной практике конструкторской работы конструкторской базой называется поверхность, линия или точка детали, по отношению к которым определяются на чертеже расчетные положения других деталей или сборочных единиц изделия, а также других поверхностей и геометрических элементов данной детали.
Конструкторские базы подразделяются на основные и вспомогательные. Основной называется конструкторская база, принадлежащая данной детали или сборочной единице, используемая для 6*	163
определения ее положения в изделии. Конструкторская база, принадлежащая данной детали или сборочной единице, используемая для определения положения присоединяемого к ней изделия, называется вспомогательной базой (ГОСТ 21495—76).
Измерительной базой называется поверхность, линия или точка, от которых производится отсчет выполняемых размеров при обработке или измерении заготовок, а также при проверке взаимного расположения поверхностей деталей или элементов изделия (параллельности, перпендикулярности, соосности и др.).
При использовании в качестве измерительных баз материальных поверхностей изделий проверку производят обычными прямыми методами измерения; при использовании геометрических элементов (биссектрис углов, осевых линий, плоскостей симметрии и других условных или «скрытых» баз) измерительные базы материализуются с помощью вспомогательных деталей (штырей, пальцев, натянутых струн, отвесов), оптических установок (коллиматоров) и других устройств.
Технологическая база — это база, используемая для определения положения заготовки или изделия в процессе изготовления или ремонта (ГОСТ 21495—76).
Технологической базой, используемой при сборке, называется поверхность, линия или точка детали или сборочной единицы, относительно которых ориентируются другие детали или сборочные единицы изделия.
Технологической базой, используемой при обработке заготовок на станках, называется поверхность, линия или точка заготовки, относительно которых ориентируются ее поверхности, обрабатываемые на данном установе.
В качестве технологических баз используют также разметочные линии и точки, нанесенные на материальные поверхности заготовок для выверки положения последних относительно устройств станка, определяющих траекторию движения режущих инструментов.
По особенностям применения технологические базы, используемые при механической обработке, подразделяются на контактные, настроечные и проверочные.
Контактными базами называются технологические базы, непосредственно соприкасающиеся с соответствующими установсчными поверхностями приспособления или станка.
При обработке заготовок по принципу автоматического получения размеров требуемую точность можно обеспечить сравнительно легко посредством настройки станка относительно контактных технологических баз заготовки или соприкасающихся с ними опорных поверхностей приспособлений.
В примере (см. рис. 6.8, в) при работе на настроенном станке точность размера а определяется правильностью установки высоты стола, обеспечивающей расстояние фрезы до установочной контактной технологической базы А, равное величине а, точность размера b — правильностью поперечной установки стола, обеспечивающей расстояние оси фрезы от направляющей контактной технологической 164
Рис. 6.14
Использование настроечной базы Л при обработке заготовки на револьверном станке
базы В, равное b + дфр/2, а точность размера с — правильностью установки упора, выключающего продольную подачу стола, при достижении осью фрезы расстояния с + йфр/2 от упорной контактной технологической базы С. Смена заготовок, обрабатываемых при неизменной настройке станка, не влияет на получаемые размеры, и они остаются одинаковыми для всех партий обрабатываемых заготовок (не учитывая случайного рассеяния размеров).
Контактные технологические базы, обеспечивающие необходимую точность обработки партии заготовок на настроенных станках и не требующие трудоемкой настройки станка, широко применяются в крупносерийном производстве.
Контактные технологические базы очень часто используются при сборке узлов и сборочных элементов (сборка валов с подшипниками, соединение салазок суппортов с направляющими станины и т. п.).
Настроечные базы. Для осуществления настройки станка относительно определенных поверхностей заготовки необходимо, чтобы эти поверхности занимали на станке при смене заготовок неизменное положение относительно упоров станка, определяющих конечное положение обрабатывающего инструмента. К таким поверхностям относятся опорные поверхности заготовки, что и предопределяет широкое их использование в крупносерийном производстве в каче
стве опорных технологических баз. Такими же поверхностями являются поверхности, образуемые на заготовке при данном ycia-нове и связанные с другими обрабатываемыми поверхностями непосредственными размерами.
Примером использования поверхности, обрабатываемой за один и тот же установ, в качестве технологической базы может служить обработка заготовки на револьверном станке (рис. 6.14). Заготовка опирается поверхностью М на соответствующий упор зажимного устройства станка, однако эта поверхность, являясь опорной технологической базой для обработки торца А заготовки на размер Л, не является таковой для всех остальных торцовых поверхностей заготовки В, С, D, Е, обрабатываемых на размеры b, с, d, а. Положение поверхностей В, С, D и Е определяется при настройке станка не положением поверхности М, а положением поверхности А, относительно которой производится установка упоров. В этом случае поверхность А, обрабатываемая при том же установе, что и рассматриваемые поверхности В, С, D, Е, является для них настроечной технологической базой.
Настроечной базой называется поверхность заготовки, по отношению к которой ориентируются обрабатываемые поверхности, связанная с ними непосредственными размерами и образуемая при одном установе с рассматриваемыми поверхностями заготовки.
165
Настроечная база обычно связана непосредственным размером с опорной базой заготовки.
При построении операции обработки с использованием настроечной базы опорная поверхность заготовки является технологической базой для получения линейных размеров только при обработке самой настроечной базы, с которой она связана непосредственным размером. Технологической базой для обработки всех остальных поверхностей заготовок и получения линейных размеров a, b, с, d в этом случае служит не опорная, а настроечная база заготовки.
В зависимости от конфигурации и предъявляемых к ней требований заготовка может иметь несколько настроечных баз одного направления размеров, что в известной степени затрудняет настройку станка, однако создает возможность непосредственной простановки размеров между поверхностями, взаимное расположение которых важно для готового изделия.
К методу работы по настроечной базе относятся различные способы расточки нескольких отверстий с точным взаимным расположением их осей и другие операции, при которых режущий инструмент перемещается от одной обработанной поверхности заготовки к другой на требуемое по чертежу расстояние с помощью специальных шаблонов, отсчетных устройств станка или согласно заданной программе. Очевидно, что в подобных случаях можно использовать несколько настроечных баз разных направлений. Применение настроечных технологических баз значительно расширяет возможности простановки размеров на чертежах заготовок, так как позволяет устанавливать размеры без повышения их точности не только непосредственно от опорных поверхностей, но и от измерительных баз, которые можно использовать в качестве настроечных баз.
Настроечные базы способствуют упрощению конструкции приспособлений, концентрации операций технологического процесса и сокращению общего числа операций, а также дают возможность производить промеры заготовок непосредственно на станке. Некоторое усложнение наладки станка, связанное с использованием настроечной базы, компенсируется в крупносерийном производстве указанными преимуществами применения этих баз.
Особенно ярко выявляются преимущества настроечных баз при использовании автоматов, многорезцовых станков, станков с копировальными устройствами, станков с числовым программным управлением и обрабатывающих центров, которые требуют создания сложных концентрированных операций, а также при многопозиционной обработке.
Опорная и настроечная технологические базы получили широкое распространение в крупносерийном производстве при настройке станков, работающих по методу автоматического получения размеров. Известно, что при установке заготовки в приспособлениях на опорной базе всегда возникает погрешность закрепления, являющаяся одной из причин рассеяния размеров заготовок, которые проставлены от опорных баз, и увеличивающая общую погрешность обработки. При использовании настроечных баз погрешность за-166
Рис. 6.15
Использование проверочной базы при расточке фундаментной рамы двигателя (А. П. Соколовский)
крепления заготовок на точность размере®, проставленных от этих баз, не влияет.
Проверочные технологические базы. При обработке заготовок в условиях серийного и единичного производства, а также при сборке точных соединений и машин широко используются проверочные базы.
Проверочной базой называется поверхность, линия или точка заготовки или детали, по отношению к которым производится выверка положения заготовки на станке или установка режущего инструмента при обработке заготовки, а также выверка положения других деталей или сборочных единиц при сборке изделия.
Характерным примером использования проверочной базы в условиях мелкосерийного производства может служить операция расточки гнезд подшипников фундаментной рамы двигателя (рис. 6.15). Для обеспечения параллельности оси растачиваемых гнезд подшипников по отношению к плоскости соединения фундаментной рамы с блоком цилиндров (плоскость Д) при установке рамы на расточном станке
тщательно по точным ватерпасам выверяется положение плоскости Д, являющейся технологической проверочной базой заготовки. Правильное положение этой поверхности достигается за счет применения специальных клиновых подкладок, которые размещают между опорной плоскостью В заготовки (отнюдь не являющейся в этом случае базовой поверхностью заготовки) и опорами С. Расточку отверстий гнезд подшипников осуществляют с помощью шпинделя расточного станка, совершающего строго горизонтальное движение подачи вдоль осн (последнее обеспечивается при монтаже расточного станка).
Из приведенного примера следует, что при работе по технологическим проверочным базам точность и качество опорных поверхностей заготовки (плоскость В) не оказывают особого влияния на точность обработки заготовки. Этот метод не требует применения сложных приспособлений для ориентировки заготовки на станке, необходимых при обработке по методу опорных баз. Указанные достоинства обеспечили широкое распространение этого метода в мелкосерийном и единичном производствах тяжелого машиностроения, где изготовление сложных приспособлений и дополнительная точная обработка контактных баз нерентабельны, а увеличение потери времени на выверку заготовки на станке незначительно по сравнению с общим временем обработки заготовки.
В качестве проверочных базирующих поверхностей в мелкосерийном производстве часто используются обрабатываемые поверх-
167
Рис. 6.16
Установка червячного колеса по проверочной базе А
ности детали. Например, при расточке отверстия в эксцентрично изготовленной отливке для уменьшения влияния неравномерности припуска на расточку и устранения возможности появления черноты в отдельных местах расточенного отверстия токарь перед расточкой выверяет установку детали в четырехкулачковой планшайбе по внутреннему, не обработанному еще отверстию, добиваясь его концентричности с осью вращения. В этом случае обрабатываемая поверхность отверстия служит при установке заготовки технологической проверочной базой. Аналогично этому в случае необходимости отфрезеровать одну сторону плоской детали при ее установке на опорной установочной базе пришлось бы снять значительный слой металла (вследствие непаралдельности плоскостей детали до обработки). При использовании обрабатываемой поверхности в качестве проверочной технологической базы и предварительной выверке установки заготовки по этой поверхности припуск на обработку, а следовательно, и затрачиваемое время на выполнение операции значительно снижаются.
Другой разновидностью проверочных баз являются всевозможные разметочные риски и керна, по отношению к которым ориентируется режущий инструмент при обработке деталей.
Интересным примером использования проверочной базы для изготовления особо точной детали оптического прибора может служить нарезание зуба отсчетного червячного колеса прибора.
По условиям своей работы в приборе начальная окружность зубчатого венца детали должна быть строго концентрична посадочному наружному цилиндру А, являющемуся основной конструкторской базой детали (рис. 6.16). Неконцентричность этих поверхностей непосредственно отражается на появлении ошибки прибора при отсчетах углов и не может быть допущена свыше 0,005 мм (что соответствует допуску на биение начальной окружности зубчатого венца по отношению к посадочной цилиндрической поверхности в пределах 0,01 мм).
Биение нарезанного зуба вызывается неточностями механизмов зуборезного станка (величиной радиального биения шпинделя станка, в котором крепится заготовка), неточностями изготовления оправки для крепления заготовки на станке (эксцентричностью поверхности оправки, ориентирующей заготовку на станке по отношению к поверхности конуса оправки, которым она крепится в шпинделе зуборезного станка) и, наконец, эксцентричностью посадки заготовки на оправке вследствие наличия зазора S между посадочной поверхностью оправки и опорной базой заготовки (рис. 6.17).
168
Из рис. 6.17 следует, что эксцентричность нарезаемого зубчатого венца детали зависит от взаимного расположения заготовки и оправки, посадочных мест оправки, посадочного конуса шпинделя станка и его фактической оси вращения; она может составить в наиболее неблагоприятном случае сумму всех рассмотренных эксцентри-max max . max । max сптетов е = ei е2 т ₽з •
Современные точные зуборезные станки выпускаются с биением шпинделя в пределах 0,01—0,02 мм, т. е. с эксцентриситетом = = 0,005 мм.
Точность изготовления зуборезных оправок обычно обеспечивает взаимную концентричность посадочного диаметра оправки и ее
конуса в пределах е2 = 0,0034-0,005 мм.
Посадка заготовки шестерни на гладкий цилиндр оправки даже при применении метода подбора заготовок, имеющих одинаковые отклонения размера посадочного диаметра по отношению к соответствующим оправкам из комплекта оправок, практически не может исключить появление зазора, достигающего обычно значения S = — 0,0034-0,006 мм на диаметр, что создает эксцентри-
Рис. 6.17
Максимальный эксцентриситет начальной окружности нарезаемого зубчатого колеса по отношению к его посадочному отверстию
ситет в пределах е3 = = 0,00154-0,003 мм.
Следовательно, при попытке использовать для нарезания зуба данного червячного колеса опорную технологическую базу (в качестве которой естественно принять отверстие заготовки) эксцентричность нарезаемого зубчатого венца по отношению к сборочной базе А будет изменяться в зависимости от фактического взаимного располо-
жения трех эксцентриситетов: еъ е2, е3, достигая иногда своего максимального значения етах = еГах + е™х + е™х = 0,005 + + 0,005 + 0,003 = 0,013 мм, которое более чем вдвое превышает допустимую величину едог, = 0,005 мм. Для обеспечения концентричности нарезаемого венца по отношению к сборочной базе заготовки при выполнении этой операции на некоторых заводах применяется технологическая проверочная база, в качестве которой используется сборочная база детали, т. е. ее наружная цилиндрическая поверхность А. При этом заготовка устанавливается на зуборезной оправке по внутреннему диаметру с зазором в пределах допуска этого отверстия, соответствующего IT8 (рис. 6.16).
Перед нарезанием зуба установка заготовки по отношению к оси вращения зуборезного станка тщательно выверяется индикатором по проверочной технологической базе поверхности А, являющейся
169
сборочной базой; причем полностью устраняется биение этой базы при вращении шпинделя (в пределах чувствительности хорошего индикатора).
Метод работы по проверочной базе, связанный с некоторой затратой времени на установку заготовки по индикатору, в данном случае полностью оправдывается обеспечением исключительно высокой точности взаимного расположения ответственных поверхностей детали (концентричности начальной окружности нарезаемого червячного венца и цилиндрической поверхности А, являющейся сборочной базой детали), недостижимой при других способах изготовления этой детали.
В рассмотренных случаях в качестве проверочных технологических баз использовались материальные поверхности (реальные или явные базы), однако при необходимости обеспечения повышенной точности расположения обрабатываемых поверхностей или собираемых деталей в качестве технологических проверочных баз могут использоваться и условные (скрытые) базы.
Примером этого может служить операция нарезания центрирующей резьбы С в оправе микрообъектива, изображенная на рис. 6.18.
По условиям работы микрообъектива при его изготовлении должна быть обеспечена безусловная концентричность резьбы С, при
которой объектив ввертывается и центрируется в корпусе микроскопа, по отношению к оптической оси объектива 1, помещенного в оправу 2 и центрируемого в ней поверхностью А. В этом узле конструкторскими базами являются оптическая ось объектива 1 и ось центрирующей резьбы оправы 2. Для обеспечения требуемой высокой точности взаимного расположения этих конструкторских баз операция нарезания резьбы С выполняется после того, как объектив 1 помещается в оправу 2 и закрепляется в ней упорным кольцом 3. Оправа 2 объектива закрепляется по своей наружной поверхности в специальном зажимном устройстве 4 приспособления токарного станка. Последнее может перемещаться по отношению к планшайбе станка с помощью винтов малого шага в двух взаимно перпендикулярных направлениях.
После закрепления оправы объектива в приспособлении шпинделю станка дается вращение, а на объектив направляется вдоль его оси луч света. При наличии эксцентриситета оптической оси световая точка на поверхности объектива описывает заметную окружность. Перемещением зажимного устройства 4 в радиальном направлении световая точка на поверхности объектива приводится в центр
170
вращения и устраняется ее биение; этим достигается совмещение оптической оси объектива с осью вращения всего узла. После этого производится нарезание центрирующей резьбы С на оправе 2.
В качестве проверочной технологической базы для нарезания резьбы С в данном случае используется оптическая ось узла микрообъектива, являющаяся его условной (скрытой) конструкторской Сазой. Наружная поверхность В оправы 2, по которой происходит
соприкосновение оправы с приспособлением, базирующей поверхностью не является, так как эта поверхность не ориентирует обрабатываемую поверхность, т. е. резьбу С, а используется только для закрепления узла.
Использование условной (скрытой) конструкторской базы детали в качестве проверочной технологической базы обеспечивает в данном случае достижение наивысшей степени точности взаимного расположения нарезаемой резьбы и оси объектива.
Применение условных проверочных технологических баз оказывается целесообразным и в некоторых случаях сборки точных машин. Так, например, при сборке корпусных деталей двигателя внутреннего сгорания, изображенных на рис. 6.19, необходимо обеспечить перпендикулярность осей цилиндровых втулок по отношению к оси колен-
чатого вала С погрешностью не ^'операции сборки корпусных деталей превышающей 0.05 ММ на 1 М двигателя внутреннего сгорания: ДЛИНЫ (ЧТО соответствует отклоне- бл^к^надровГ/^в^ул^а цил^дЬа -нию угла 90° в пределах 10")- Для выполнения этого требования нужна исключительно точная обработка всех корпусных деталей, правильность взаимного расположения и форма сборочных баз которых влияет на положение осей цилиндровых втулок и коленчатого вала. В этом случае необходимо обеспечить: параллельность оси расточки гнезд М подшипников по отношению к стыковой плоскости фундаментной рамы /; параллельность нижней С2 и верхней О, стыковых поверхностей станины 2; перпендикулярность оси отверстия цилиндровой втулки 4 по отношению к опорному торцу D2 блока цилиндров 3.
Все стыковые поверхности Сь С2, Dlt D2 являются опорными сборочными базами, определяющими взаимное расположение собираемых деталей, а в конечном счете — и взаимное расположение
171
осей цилиндров и коленчатого вала. В связи с этим погрешности взаимного расположения этих поверхностей должны быть минимальными; в данном случае они должны быть ограничены допуском в 0,025 мм на 1 м длины. Складывая эти допускаемые погрешности по правилам суммирования случайных ошибок, можно вычислить суммарную погрешность взаимного расположения осей цилиндровых втулок и коленчатого вала, равную
Л = 1,2 /0.0252 + 0,025s + 0,0252 = 0,05 мм, т. е. допускаемой величине 0,05 мм на 1 м длины.
Обеспечение взаимного расположения опорных сборочных баз корпусных деталей двигателя в пределах допуска 0,025 мм на 1 м длины чрезвычайно затрудняет механическую обработку деталей и экономически нецелесообразно. Более рационально при обеспечении перпендикулярности осей цилиндровых втулок и коленчатого вала отказаться от использования стыковых поверхностей Съ С2, Dlt D2 в качестве опорных сборочных баз и пользоваться проверочной сборочной базой. В качестве последней удобно использовать условную конструкторскую базу —ось цилиндровой втулки. При этом процесс сборки корпусных деталей осуществляется в следующем порядке: 1) фундаментную раму 1 устанавливают на монтажном стенде, причем с помощью уровня достигается горизонтальность расположения оси расточки гнезд М под вкладыши подшипников коленчатого вала; 2) на фундаментной раме монтируют станину 2, а на ней блок цилиндров 3 с цилиндровыми втулками; 3) в центре отверстия цилиндровой втулки 4 укрепляют отвес; 4) шабрят стыковые поверхности D1 и D2 станины и цилиндрового блока и проверяют по отвесу вертикальность оси цилиндровой втулки.
Из приведенного описания последовательности сборки корпусных деталей двигателя следует, что в данном случае стыковые поверхности Съ С2, Dlt D2 теряют значение сборочных баз как поверхностей, по отношению к которым ориентируются другие детали. Цилиндровый блок ориентируется не стыковыми плоскостями, а осью отверстия цилиндровой втулки 4, совмещаемой путем шабрения стыковых поверхностей Dlt D2 с отвесом. В связи с этим сборочной базой здесь служит ось отверстия цилиндровой втулки, являющаяся условной (скрытой) проверочной сборочной базой.
Из приведенного примера видно, что применение проверочных сборочных баз позволяет значительно повысить точность сборки при сравнительно низкой точности механической обработки деталей, однако оно связано с дополнительной затратой времени на выверку положения собираемых деталей. Иногда эта затрата времени столь значительна, что не компенсируется выигрышем в производительности при механической обработке деталей по расширенным допускам, и применение проверочных сборочных баз, связанных обычно с пригоночными операциями на сборке, становится неоправданным. Однако в ряде случаев (например, в тяжелом машиностроении) при единичном производстве сложных, дорогих и точных машин в условиях опытного и ремонтного производств, а также при серий-172
иом изготовлении изделий, высокая точность взаимного расположения собираемых деталей или обрабатываемых поверхностей которых не может быть обеспечена при использовании контактных баз, применение проверочных баз бывает целесооиразным. Во всех случаях вопрос о целесообразности использования проверочных баз и пригоночных работ на сборке должен решаться на основе проведения соответствующих технико-экономических расчетов.
Развитие современной электроники позволяет ускорить и автоматизировать процесс выверки положения обрабатываемых заготовок и собираемых узлов, что создает реальные возможности экономичного применения проверочных баз даже в условиях крупносерийного и массового производства.
Приведенные примеры показывают, что проверочная технологическая база, применяемая при сборке или при механической обработке, может быть материальной («явная» база) или условной («скрытой»). В последнем случае она материализуется с помощью отвесов, ватерпасов, оптических коллиматоров и других устройств.
ИСКУССТВЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ БАЗЫ
Если конфигурация заготовок не дает возможности выбрать технологическую базу, позволяющую удобно, устойчиво и надежно ориентировать и закрепить заготовку в приспособлении или на станке, то прибегают к созданию искусственных технологических баз. К категории искусственных технологических баз относятся также такие технологические Зазы, которые в целях повышения точности базирования обрабатываемой заготовки в приспособлении предварительно обрабатываются с более высокой точностью, чем это требуется для готового изделия по чертежу.
Рис. 6.20
Использование дополнительной опорной поверхности — технологической бобышки (показана штрихпунктнрной линией) прн обработке крупногабаритных лопаток
Характерным примером искусственных технологических баз могут служить центровые отверстия, не требующиеся для ютового вала и необходимые исключительно из технологических соображений. Когда сохранение центровых отверстий по условиям эксплуатации вала недопустимо, после его обработки их срезают. Если центровые отверстия используются при эксплуатации детали и являются конструктивно необходимыми, то они не могут рассматриваться как искусственные технологические базы.
При механической обработке крупногабаритных турбинных лопаток в качестве технологической базы часто используют хвостовик
173
лопатки и пр ил ив-бобышку, специально созданную для облегчения установки лопатки в приспособлениях. После механической обработки лопаток бобышки отрезают (рис. 6.20).
Если отдельные поверхности специального прилива-бобышки входят в общее число базирующих поверхностей технологической базы и на них вместе с другими базами размещается шесть опорных точек, то бобышку следует отнести к категории искусственных технологических баз. Однако если все шесть опорных точек технологической базы размещаются на других поверхностях лопатки, например на ее хвостовике, и опорные точки, располагающиеся на технологической бобышке, являются избыточными, то бобышка уже не может рассматриваться в качестве базы, так как она не базирует (не ориентирует заготовку относительно станка), а только служит дополнительной опорой вследствие недостаточной жесткости заготовки.
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ОПОРНЫЕ ПОВЕРХНОСТИ
Для полного определения положения заготовки в приспособлении теоретически необходимо создать шесть опорных точек. В этом случае положение заготовки в приспособлении является статически определенным. Однако при установке обрабатываемой заготовки, отличающейся малой жесткостью и большими размерами, по шести опорным точкам иногда происходит ее деформация под действием силы тяжести и усилий резания, исключающая возможность достижения требуемой точности обработки. В подобных случаях технолог вынужден использовать дополнительные опорные поверхности, несущие на себе дополнительные опорные точки (сверх шести теоретически необходимых). При этом положении заготовка становится статически неопределенной и ее точность теряется.
Дополнительные опорные поверхности могут быть естественными, т. е. полученными в процессе обработки заготовки в соответствии с требованиями чертежа, или искусственными, созданными на заготовке специально для ее установки и закрепления в приспособлении (всевозможные дополнительные центровые отверстия, выточки под люнеты, специальные приливы и бобышки и т. п.).
Примером использования дополнительной опорной поверхности может служить токарная обработка длинного вала. С точки зрения ориентировки вала в пространстве его положение полностью определяется зажимом в патроне с упором торца вала в соответствующие упорные поверхности кулачков (пяти опорных точек в данном случае достаточно, так как при обточке вала не требуется его ориентировка относительно оси вращения). Однако для предотвращения прогиба вала применяется поддержка его центром по дополнительной опорной поверхности — центровому отверстию, несущему на себе еще две опорные точки. Если дополнительная опорная поверхность (центровое отверстие) смещена относительно поверхности конца вала, закрепленного в патроне, которая определяет положение вала на станке, то вал искривляется и его обработка является неточной.
174
Приведенные примеры показывают, что применение дополнительных опорных поверхностей может внести неопределенность в положение заготовки при обработке и тем самым снизить точность расположения обрабатываемых поверхностей. Вследствие этого рекомендуется использовать в качестве дополнительных опор всевозможные подвижные и регулируемые опоры (механические и автоматические подпоры).
В тех случаях, когда это невозможно, необходимо обеспечить высокую точность расположения дополнительной опорной поверхности заготовки по отношению к ее технологическим базам, на которых располагается шесть теоретически необходимых опорных точек, поскольку погрешность расположения всех базирующих и дополнительных опорных поверхностей входит в погрешность базирования заготовки и переносится на погрешность взаимного расположения обработанных поверхностей.
Использование искусственных технологических баз и дополнительных опорных поверхностей обычно повышает общую трудоемкость обработки и часто приводит к дополнительному расходу металла.
§ 6.3
НАЗНАЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ БАЗ
Одним из наиболее сложных и принципиальных разделов проектирования технологических процессов механической обработки является назначение технологических баз. От правильности решения вопроса о технологических базах в значительной степени зависят: фактическая точность выполнения линейных размеров, заданных конструктором; правильность взаимного расположения обрабатываемых поверхностей; точность обработки, которую должен выдержать рабочий при выполнении запроектированной технологической операции; степень сложности и конструкция необходимых приспособлений, режущих и мерительных инструментов; общая производительность обработки заготовок.
При автоматизации производства, развитии гидрокопировальных устройств и применении станков с числовым программным управлением (в том числе обрабатывающих центров) значение правильного выбора технологических баз еще более возрастает, так как все эти виды обработки основываются на принципе автоматического получения размеров, в котором технологическая база является одним из основных составляющих элементов.
В связи с этим вопрос о выборе технологических баз решается технологом в самом начале проектирования технологического процесса одновременно с вопросом о последовательности и видах обработки отдельных поверхностей заготовки. При этом назначение технологических баз начинается с выбора технологической базы для выполнения первой операции.
175
НАЗНАЧЕНИЕ БАЗ ДЛЯ ЧЕРНОВОЙ ОБРАБОТКИ
Рис. 6.21
Черновая база при обработке корпуса подшипника
Технологическая база, используемая при первом установе заготовки, называется черновой технологической базой.
Черновая технологическая база (так же как и базы, применяемые для остальных операций технологического процесса) может быть контактной или проверочной \ однако ее назначение имеет некоторые особенности.
В качестве черновой технологической базы следует выбирать поверхность, относительно которой при первой операции могут быть обработаны поверхности, используемые при дальнейших операциях как технологические базы (т. е. черновая база —это база для обработки чистовых баз).
Для обеспечения точности базирования и надежности закрепления заготовки в приспособлении черновая база должна иметь достаточные размеры, возможно более высокую степень точности (правильность и постоянство формы и взаимного расположения баз у различных заготовок) и наименьшую шероховатость поверхностей.
В качестве черновых баз не следует использовать поверхности, на которых
расположены в отливках прибыли и литники, а также швы, возникающие в местах разъемов опок и пресс-форм в отливках под давлением и штампов в поковках и штамповках, удаляемые предварительной слесарной обработкой, нарушающей постоянство расположения поверхностей.
В связи с тем, что точность необработанных поверхностей, применяемых в качестве черновых баз, всегда ниже точности обработанных поверхностей, а шероховатость — выше шероховатости обработанных поверхностей, черновая база должна использоваться при обработке заготовки только один раз — при выполнении первой операции. Все последующие операции и установы заготовки необходимо осуществлять на обработанных базовых поверхностях. Исключением могут быть случаи обработки особо точных заготовок, полученных литьем под давлением, точным прессованием, калиброванием, или случаи обработки заготовок, установленных на приспособлениях-спутниках.
Для того чтобы обеспечить правильное взаимное расположение системы обработанных поверхностей детали относительно необработанных, в качестве черновых технологических баз целесообразно выбирать поверхности, остающиеся необработанными.
На рис. 6.21 изображен корпус подшипника, при механической обработке которого черновой технологической базой служит пло-к Однако очевидно, что черновая база не может быть настроечной базой, так как последняя обрабатывается при данном установе.
176
скосгь А, остающаяся необработанной. При установке на черновую базу (плоскость Л) производится фрезерование плоскости В на размер а, обеспечивающее параллельность поверхностей А и В. При дальнейшей обработке корпуса подшипника (фрезерование плоскости С на размер b и других поверхностей, сверление отверстий, расточка гнезда М под вкладыш подшипника) в качестве установочной технологической базы используется плоскость В.
На рис. 6.22, а приведена схема установки шатуна авиационного мотора для фрезерования торцовых поверхностей А, В, С, D головок, которые служат технологическими базами при расточке отверстий в головках (рис. 6.22, б). В качестве черновых технологических баз
|>ИС. 6.22
Черновые базы при обработке шатуна
при фрезеровании торцов головок используют боковые плоскости стержня шатуна, базирование по которым осуществляется в само-центрирующих зажимах; этим обеспечивается равномерность снятия припуска с торцов головок шатуна. Для центрирования головок шатуна при их расточке применяют черновые базы — наружные контурные поверхности головок, закрепляемых в призмах. Созданные с помощью черновых баз обработанные поверхности шатуна, т. е. отверстия и торцы головок, используются в качестве технологических баз при дальнейшей его обработке на большинстве операций. При обработке главного шатуна одного из двигателей отверстие в малой головке служит технологической базой на 65 операциях из 106 операций технологического процесса механической обработки шатуна.
Если с одной из обрабатываемых поверхностей желательно снять минимальный припуск, то эта поверхность должна быть использована в качестве черновой базы при первой операции обработки. Так, например, для обеспечения снятия минимального припуска с направляющих станин станков (что является важным для сохранения износостойкого слоя металла) при первой операции обработки отливки в качестве черновой базы применяется поверхность направляющих.
Одной из важных задач, решаемых при выполнении первой операции обработки заготовки на черновой базе, является обеспечение равномерного распределения поипусков. что особенно важно при обработке ответственных деталей сложной конфигурации, изготовляемых из отливок и поковок.
177
Равномерное распределение припусков между всеми обрабатываемыми поверхностями обусловливает более полное использование возможностей режущего инструмента и высокую производительность обработки за счет применения оптимальных режимов резания, повышение точности обработки (устранение неоднородности припусков уменьшает рассеяние размеров, связанное с колебаниями отжатий в упругой технологической системе), однородность микроструктуры и качества поверхностного слоя металла всех обработанных поверхностей (литейные корки в одинаковой мере снимаются со всех обрабатываемых поверхностей).
Для обеспечения равномерности припусков внутренних поверхностей (отверстий, внутренних полостей коробчатых заготовок и т. п.) в качестве черновых баз рекомендуется использовать эти внутренние поверхности.
В мелкосерийном производстве равномерное распределение припуска на отливках и поковках часто обеспечивается за счет применения разметки заготовок с последующей выверкой их положения на станке при первой операции обработки или выверкой положения режущего инструмента по разметочным рискам и керновкам (проверочные искусственные технологические базы). Довольно распространенным случаем применения проверочных баз в серийном производстве является базирование заготовок с выверкой их положения по установочным штырям, вставленным в ранее изготовленные (отлитые или предварительно обработанные) отверстия. После базирования и закрепления заготовок в приспособлениях установочные штыри вынимают из заготовки и производят чистовую обработку отверстий. Такой метод обеспечивает равномерность распределения припуска на обработку отверстий (что особенно важно при обработке на алмазно-расточных станках), а также правильное расположение обработанных поверхностей относительно осей базирующего отверстия (условные базы). Замена выверки положения заготовки по проверочной базе специальными штырями, центрирующими заготовку по этой базе, значительно сокращает затраты вспомогательного времени на установку заготовки, что делает применение этого метода базирования экономически целесообразным.
В условиях крупносерийного производства для выверки положения заготовок в приспособлениях или на станках при их установке по черновой базе используют специальные приемы и автоматизированные устройства (в некоторых случаях довольно сложные). Так, например, при изготовлении крупногабаритных лопаток (длиной 500—1500 мм) паровых турбин (для обеспечения равномерности распределения припуска на сложнопрофильных рабочих поверхностях спинки и корыта) при первой операции, на которой обрабатывается комплект технологических баз, в качестве черновых проверочных баз используются рабочие поверхности лопаток.
Штампованная исходная заготовка лопаток устанавливается своими искусственными черновыми базами (специальный выступ на хвостовике и технологическая бобышка) на столике механизма ориентации специального станка СМ 878 или СМ 939 для обработки 178
баз турбинных лопаток. Столик механизма ориентации имеет пять степеней свободы и по сигналу индуктивных датчиков может перемещаться, занимая самые различные положения в пространстве.
Рис. 6.23
Схема устройства станка СМ 939 для автоматического распределения припуска на обработку рабочих поверхностей турбинных лопаток
К штампованному рабочему профилю заготовки лопатки подводится 20 ощупывающих датчиков (рис. 6.23, а), каждый из которых дает сигнал механизму ориентации, вызывающий перемещение или поворот столика с заготовкой в пространстве. Когда заготовка лопатки займет теоретчески правильное положение относительно станка,
179
столик механизма ориентации закрепляется и начинается автоматический цикл последовательной обработки базовых поверхностей: фрезерование торцовыми фрезами 0 200 мм двух взаимно перпендикулярных плоскостей хвостовика и центрование бобышки (рис. 6.23, б). При этом обеспечивается правильное расположение обработанных баз относительно штампованных рабочих поверхностей заготовки. Это, в свою очередь, гарантирует равномерное распределение припуска при обработке фасонных рабочих поверхностей лопатки на базе плоскостей хвостовика и центрового отверстия бобышки.
Предварительная настройка датчиков в их нулевые положения производится по эталону, представляющему собой лопатку с обработанными базами, рабочий профиль которой очерчен по эквидистанте и теоретическому профилю, отстоящей от него на величину припуска. Точность распределения припуска составляет в зависимости от величины припуска 0,2—0,4 мм.
Продолжительность процесса оптимизации положения заготовки лопатки составляет 0,2—0,4 мин, а весь процесс обработки комплекта баз, с установкой и снятием лопатки и оптимизацией занимает 3— 5 мин (в зависимости от размеров лопатки).
ПРИНЦИП СОВМЕЩЕНИЯ (ЕДИНСТВА) БАЗ
При назначении технологических баз для точной обработки заготовки в качестве технологических баз следует принимать поверхности, которые одновременно являются конструкторскими и измерительными базами детали, а также используются в качестве баз при сборке изделий.
При совмещении технологических, конструкторских и измерительных баз обработка заготовки осуществляется по размерам, проставленным в рабочем чертеже, с использованием всего поля допуска на размер, предусмотренного конструктором.
Если технологическая база не совпадает с конструкторской или измерительной базой, технолог вынужден производить замену размеров, проставленных в рабочих чертежах от конструкторских и измерительных баз более удобными для обработки технологическими размерами, проставленными непосредственно от технологических баз. При этом происходит удлинение соответствующих размерных цепей заготовки и поля допусков на исходные размеры, проставленные от конструкторских баз, распределяются между вновь введенными промежуточными размерами, связывающими технологические базы с конструкторскими базами и с обрабатываемыми поверхностями. В конечном счете это приводит к ужесточению допусков на размеры, выдерживаемые при обработке заготовок, к удорожанию процесса обработки и понижению его производительности.
Сказанное можно проиллюстрировать следующим примером.
При обработке паза на глубину 10Н14 (рис. 6.24, а) для упрощения конструкции приспособления удобно установить заготовку 180
на нижнюю поверхность В (рис. 6.24, г). Так как дно паза С связано размером 1О+0-36 с верхней плоскостью А, эта плоскость является для паза конструкторской и измерительной базами. В этом случае технологическая база — поверхность В не совпадает с конструкторской и измерительной базами и не связана с ними ни размером,
ни условием правильного взаимного расположения.
Поскольку при работе на настроенном станке расстояние от оси фрезы до плоскости стола сохраняется неизменным (k = const), а следовательно, постоянен и размер с, отсутствующий на чертеже, то размер глубины паза а = 10+°-зе мм не может быть выдержан,
так как на его колебание непосредственно влияет погрешность размера b = — 5О_о,62 мм, выдерживаемого на предыдущей операции (рис. 6.24, б). Очевидно, что на операционном эскизе фрезерования паза в этом случае следует поставить технологический размер с, точность которого не зависит от предыдущей операции, а конструкторский размер а = 1О+0’36 мм целесообразно с эскиза снять. Расчет технологического размера с, а также нового
Рис. 6.24
Фрезерование паза от опорной технологической базы /?, не совпадающей с конструкторской
технологического допуска
размера b можно произвести, исходя из размерной цепи, приве-
денной на рис. 6.24,в. Из рисунка видно, что с=Ь —а — = 50 — 10 = 40 мм.
Допуск размера с определяется из той же размерной цепи, в которой исходным размером является конструкторский размер а = = 10+0,36, так как весь расчет производится на основании предпосылки, что размер а должен быть автоматически получен в пределах заданного конструктором допуска при выполнении составляющих размеров цепи b и с в пределах установленных для них допусков. В соответствии с формулой (5.3) Та — ТЬ + Тс, откуда Тс = Та — ТЬ. Подставляя соответствующие значения, получаем Тс = 0,364-0,62.
Так как допуск — величина существенно положительная и отрицательной быть не может, полученное уравнение не может быть решено без увеличения уменьшаемого или без уменьшения вычитаемого. Допуск размера а задан конструктором и не может быть увеличен, поэтому единственным способом решения поставленной задачи является уменьшение вычитаемого, т. е. ужесточение допуска на размер Ь. Уменьшение ТЬ следует произвести таким образом, чтобы на размер Ь и на технологический размер с были установлены
181
технологически выполнимые допуски. Так как с технологической точки зрения сложность выполнения размеров b и с одинакова (оба размера лежат в одном интервале размеров и получаются на горизонтально-фрезерном станке от опорной технологической базы), допуск размера b ужесточается до величины Th = 0,18 мм, равной половине допуска исходного размера а. В этом случае на технологический размер с можно назначить допуск, близкий установленному допуску размера Ь.
Окончательно размер b назначается с допуском, равным ближайшему стандартному с сохранением установленного чертежом минусового отклонения поля допуска от номинала, т. е. b = 5О_о ю = = 50Л11.
Тогда расчетный допуск технологического размера
Тс = 0,36 — 0,16 = 0,20 мм.
Предельный значения технологического размера с определяются из той же размерной цепи на рис. 6.24, в, т. е. а — b — с:
max i^max rmin, min шах max
Cl ---t'	~— C j C —	— U
= 50 — (10 + 0,36) = 4О~о,зб mm;
^min__^min _^.max. ^max _^min _ ^min
= 50 — 0,16— 10 = 40—0,16 мм.
Расчетная величина размера с = 4OZo^36 мм. Окончательно принимается ближайшее стандартное значение этого размера с = = 4О2о;зз мм, соответствующее значению 40Ы1.
Предельные значения проставленного технологического размера с находятся в границах расчетных размеров.
Проверочный расчет на максимум и минимум (а™* — = 50 —(40 — 0,33) = 10+°33; amln = 50 — 0,16 — (40 — 0,17) = = 10+001) показывает, что предельные значения исходного конструкторского размера а находятся в границах предельных размеров, установленных чертежом, и пересчет размеров сделан правильно.
В случаях, когда стандартный размер, ближайший к расчетному технологическому размеру с, значительно отличается по величине своего поля допуска от расчетного, окончательно может быть принят расчетный размер с.
На основании проведенного расчета в операционных эскизах заготовки вместо чертежных размеров 10Н14 и 50Й14 должны быть проставлены новые размеры Ь = 50Й11 и с = 40Ы1. Таким образом, в связи с несовпадением технологической и конструкторской (измерительной) баз рабочему фактически приходится выдерживать заметно более жесткие допуски по сравнению с допусками, установленными конструктором. В рассмотренном случае вместо допусков по Й14, установленных чертежом, должны быть выдержаны допуски по All и bl 1.
Если столь значительное повышение требуемой точности обработки приведет к чрезмерному снижению производительности и 182
возрастанию себестоимости продукции, то может оказаться целесообразным использовать специальное приспособление, позволяющее осуществить фрезерование паза непосредственно от конструкторской базы А. Схема подобного приспособления изображена на рис. 6.25, а. Технологическая опорная база — плоскость А является одновременно конструкторской базой, от которой без всяких пересчетов непосредственно выдерживается конструкторский размер а — 10+0-36 мм. Колебание размера Ь никак не отражается на точно-
сти получения конструкторского размера, поэтому ужесточения допусков здесь производить нет необходимости.
На рис. 6.25, б показано фрезерование паза комплектом фрез одновременно с плоскостью Л. Так же, как и в предыдущем случае,
паз обрабатывается от технологической базы — плоскости А (являющейся здесь настроечной), совпадающей с конструкторской и измерительной базами. Конструкторский размер а = 10+0’36 мм выдерживается без всяких пересчетов, и никакого ужесточения допусков, установленных конструк-
Pi:c. 6.25
Фрезерование паза от технологической базы At совпадающей с конструкторской
тором, здесь также не требуется. Плоскость В служит опорной технологической базой для обработки плоскости А на размер Ь, который тоже может выполняться с установленным- чертежом допуском ТЬ ~ 0,62 мм без его ужесточения.
Рассмотренные на рис. 6.24 и 6.25 примеры обработки призматической заготовки с прямоугольным пазом показывают, что при разработке технологических процессов технолог может использовать различные виды технологических баз.
Варианты возможных технологических процессов имеют свои достоинства и недостатки. Например, при обработке заготовки от опорных технологических баз, несовмещенных с конструкторскими и измерительными базами (рис. 6.24), возникает необходимость
пересчета размеров и значительного ужесточения допусков, что приводит к снижению производительности и удорожанию обработки. Зато для изготовления заготовки не требуется специальных приспособлений или инструментов. При обработке заготовки от опорной технологической базы, совмещенной с конструкторской и измерительной базами (рис. 6.25, а), имеется возможность непосредственно выдерживать конструкторские размеры баз пересчета и ужесточения данных конструктором допусков, а следовательно, и без снижения производительности обработки, однако требуется создавать специальное и не всегда удобное приспособление. Если размеры выдерживаются от настроечной технологической базы, совмещенной с конструкторской и измерительной базами (рис. 6.25, б), пересчитывать и ужесточать допуски также не приходится, но для выполне
183
ния операции требуется набор режущих инструментов. Выбор наилучшего варианта технологического процесса производится на основании технико-экономического расчета с учетом конкретных условий производства.
Вторым важным принципом, которым следует руководствоваться при назначении баз, является принцип постоянства баз.
ПРИНЦИП ПОСТОЯНСТВА БАЗ
Принцип постоянства баз заключается в том, что при разработке технологического процесса необходимо стремиться к использованию одной и той же технологической базы, не допуская без особой необходимости смены технологических баз (не считая смены черновой базы).
9
Рис. 6.2С
Применение принципа постоянства баз при расточке и сверлении
100 .
Стремление осуществить обработку на одной технологической базе объясняется тем, что всякая смена технологических баз увеличивает погрешность взаимного расположения поверхностей, обработанных от разных технологических баз, дополнительно внося в нее погрешность взаимного расположения самих технологических баз, от которых производилась обработка поверхностей.
Например, если на заготовке, изображенной на рис. 6.26, а, требуется обеспечить совмещение оси
симметрии четырех малых отверстий с осью центрального отверстия в пределах допустимой погрешности Д = ±0,1 мм, а расточка центрального отверстия на токарном станке (рис. 6.26, б) и сверление четырех малых отверстий в кондукторе (рис. 6.26, в) выполняются при использовании различных баз А и В, то фактическая величина смещения осей возрастает на величину погрешности взаимного расположения использованных/ баз, т. е. на величину допуска на размер 100. Это подтверждает расчет технологической размерной цепи (рис. 6.26, г):
А™’ = 100max - 50mln - 30 - 20mln =
== ЮО - (50 — 0,05) — 30 — (20 — 0,05) = ±0,1 мм;
Amln = 100mln - 50max - 30 - 20max =
100 - 0,46 - (50 + 0,05) - 30 — (20 ± 0,05) = — 0,56 мм.
184
В связи с тем, что сверление малых отверстий выполняется по кондуктору, расстояние между ними (размер 60) выполняется точно, поэтому в расчете размер 30 условно принят постоянным.
Нетрудно убедиться в том, что при выполнении обеих операций от неизменной базы (например, от плоскости Д) колебание величины смещения осей уменьшается, так как оно определяется из более короткой технологической размерной цепи (рис. 6.26, д), не включающей в себя размер 100, т. е.:
Дтах = 50тах - 30 - 20т1п = 50 + 0,05 - 30 - (20 - 0,05) = + 0,1 мм;
Дт,п = 50т„, - 30 - 20тах = 50 - 0,05 - 30 - (20 + 0,05) = = —0,1 мм;
При этом требование чертежа о совмещении осей в пределах погрешности ±0,1 мм выполняется.
Сохранение постоянной технологической базы при обработке заготовок на различных операциях снижает погрешности взаимного расположения обрабатываемых поверхностей, однако на практике встречаются случаи, когда выполнение этого требования приводит к чрезмерному усложнению конструкции приспособлений и их удорожанию. В этих случаях технолог вынужден заменять технологические базы, выбирая наиболее удобные и производя соответствующие расчеты увеличения погрешности взаимного расположения обрабатываемых поверхностей.
При решении вопроса о том, какую из разновидностей технологических баз лучше всего применить в проектируемом технологическом процессе, следует учесть изложенные выше данные об особенностях проверочных, настроечных и контактных технологических баз.
Наиболее целесообразно и удобно использовать настроечные технологические базы при построении технологического процесса по принципу концентрации операций, когда обработка заготовки осуществляется за небольшое число сложных по своему содержанию операций с применением комбинированного многолезвийного и фасонного инструмента и сложных настроек станков при многопозиционной обработке, при обработке на копировальных станках, автоматах, станках с ЧПУ и при групповой обработке.
При разработке технологического процесса обработки крупных и точных заготовок единичного производства, когда затраты времени на их установку и выверку составляют лишь незначительную часть основного времени обработки заготовки, а изготовление крупных и сложных специальных приспособлений, необходимых при использовании настроечных и опорных технологических баз, экономически не оправдывается, допускается применение проверочных технологических баз.
В обычных условиях крупносерийного производства проверочные технологические базы следует использовать только в виде исключения при обработке особо точных заготовок и сборочных единиц, когда
185
5J Таблица 6.2
Схемы базирования и установки заготовок в приспособлениях и на станках
Характеристике установки или содержание операции	Теоретическая схема базирования	Общее число лишаемых степеней свободы при базировании	Пример возможной конструктивной реализации схемы базирования	Рекомендуемое условное изображение на технологическом эскизе согласно ГОСТ 3,1107 — 81
Установка вала в неподвиж-				1	
		5	гь г ц \ лй	
КОВЫМ UdlpuHuM Н Врс1Щс1“			т	—у	-ff- о-
ющемся заднем центре с по-	ч			
движным люнетом	и		u ф	
Установка вала в двух- или				!
трехкулачковом самоцентри-рующем патроне с длинными	Jcttot		4	--	Jc	
кулачками без упоре по торцу				1———1
Установка вала в самоцентри-				
рующем трехкулачковом па-			~~н	Л
троне с механическим зажимом с упором в торец и во вра-	J—я	5		
щающемся центре с неподвиж-	X.J—11—3			О4
ным люнетом			th	
Бесцентровое • шлифование		4		r/tfy -	
гладкого валика				
			Zi'-Z	
Установка диска в двух- или трехкулачковом патроне с базированием по торцу
Установка короткой втулки-диска на разжимной (цанговой) оправке (а) или в трехкулачковом патроне в разжим (б) с базированием по торцу
Установка короткой втулки-диска на гладкой цилиндрической оправке с базированием по торцу
Обработка длинной втулки иа разжимной (цанговой) оправке с упором по торцу, обеспечивая строгую концентричность поверхностей вращения
187
Обработка втулки, установленной иа цилиндрической оправке с гидропластовым зажимом, с упором в торец на рифленую поверхность н с поджимом вращающимся центром, обеспечивая строгую концентричность поверхностей вращения
Продолжение табл. 6.2
оо
О
Характеристика установки или содержание операции	Теоретическая схема базирования	Общее число лишаемых степеней свободы при базировании	Пример возможной конструктивной реализации схемы базирования	Рекомендуемое условное изображение на технологическом эскизе согласно ГОСТ З.П07—81
Обработка длинной цилиндри				
ческой втулки на конусной				
жесткой оправке (на «оправке	У5			
трения»), обеспечивая строгую			•у, 		
	-AJ Ь			
стей вращения				
Обработка длинной втулки на	£ , , X *			
гладкой цилиндрической оп-			“	|М:	
равке с гайкой, допуская эк-			иг	±кг	
сцентриситет поверхностен	V	V			
вращения				
Протягивание длинного отверстия		5	Й Кд ыШ Й £ ! 1	
				
			^^zzzzSzn/	
Протягивание короткого от-				
				
верстия	И&г JrJj			
Шлифование плоскости А на	Л V		А /Йу	
магнитном столе, выдерживая	1 н	3		КЗ
между плоскостями Л и В			В	
				
				
Фрезерование уступа, выдер-		5	1 1 1	—pj	
живая размеры а и b	V V 1 Iе3			И I о
				
Установка шатуна на плоско-			А А.	FT—1”И 1	Fl	Wr
сти торцов и по отверстиям головок для обработки иаруж-		6	Я г ,\\у	ЙФ p?	1
кого контура	х । Я		Г*	1—	—!	Lj	
Установка вала на призме		5		/Ф) t,	
Продолжение табл. 6.2
co о
Характеристика установки или содержание операции
Общее число лишаемых степеней свободы при базировании
Пример возможной конструктивной реализации схемы базирования
Рекомендуемое условное изображение и а технологическом эскизе согласно
ГОСТ 3.1107—81
и»н^
Теоретическая схема базирования
Установка рычага для расточки отверстий в головках, обеспечивая их положение на оси симметрии, концентричность отверстия и наружного контура головки А и перпендикулярность осей отверстий к торцам головок				
		(-0-)	—		
Установка рычага для расточки отверстий, обеспечивая симметричное расположение их осей относительно наружных поверхностей головок и перпендикулярность осей головок к торцам		*	и	Л у rlA.
				(4-	
				
Установка рычага для расточки отверстий,обеспечивая концентричность отверстия А по контуру головки, обеспечивая симметричность расположения осей отверстий относительно наружного контура и их перпендикулярность к торцам головок				
		ЩЧ—— н-		
				
Установка заготовки для расточки отверстия, обеспечивая размер а и перпендикулярность оси и плоскости относительно основания и расположение оси отверстия в плоскости симметрии закругления внешнего контура
Сверление отверстия d в диске с обеспечением перпендикулярности оси отверстия к торцу диска и его расстояния от центра на величину г с закреплением в самоцентри-рующих призматических губках с пневматическим зажимом
Сверление четырех отверстий перпендикулярно к плоскости А с центрированием на цилиндрический палец, с упором на три неподвижные опоры (или на плоскость Л) и с применением электрического двойного зажима, имеющего сферические рабочие поверхности

		
	X.	у
о	-ад
	
их высокая точность не может быть достигнута с помощью других разновидностей технологических баз.
При работе с новейшими измерительными и управляющими устройствами, ускоряющими и автоматизирующими выверку положения заготовок на станках, применение проверочных баз становится рациональным не только при серийном, но и массовом производстве, особенно в случае необходимости достижения высокой точности расположения обрабатываемых поверхностей.
При построении технологического процесса по принципу дифференциации операций, когда изготовление заготовки производится с помощью большого числа простых операций, состоящих из одного-двух переходов, осуществляемых одиночным инструментом, удобнее всего использовать контактные технологические базы. Необходимо при этом следить за тем, чтобы погрешность установки заготовки в предусмотренном технологическим процессом приспособлении, непосредственно входящая в состав общей погрешности выполнения размеров, проставленных от опорных технологических баз, не была чрезмерно велика и не вызывала необходимости значительного повышения требований к точности выполнения размеров и соответствующего усложнения и удорожания обработки.
Для повышения точности и создания определенности ориентировки заготовки в приспособлении с помощью опорных технологических баз в качестве базирующих поверхностей следует выбирать поверхности простейшей формы (плоскости, цилиндрические поверхности), точность обработки которых всегда бывает наиболее высокой.
Использование для базирования заготовок сложных контуров может оказаться целесообразным только для неточных заготовок, так как всегда имеющиеся погрешности взаимного расположения отдельных элементов фасонных контуров и неточности размеров этих элементов вносят дополнительную погрешность и неопределенность в установку заготовок.
Число технологических баз должно быть достаточным для такой ориентировки заготовок, при которой обеспечивается автоматическое получение всех размеров, выдерживаемых при данной операции. В зависимости от числа и направления выдерживаемых при данной операции размеров можно использовать одну, две или три базы; при этом заготовка лишается соответственно трех, четырех, пяти или шести степеней свободы. Увеличение числа баз усложняет конструкцию приспособлений, что приводит к возрастанию стоимости их изготовления и снижению эффективности их эксплуатации.
В связи с этим следует ограничиваться наименьшим числом технологических баз, которое, однако, должно быть достаточным для обеспечения выполнения всех заданных размеров.
В табл. 6.2 приводятся типовые примеры рациональных схем базирования и установки заготовок ь приспособлениях и на станках, при различных технологических задачах их обработки.
Глава 7
ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ
НА ФОРМИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ КАЧЕСТВА ДЕТАЛЕЙ МАШИН1
§ А/
СТРОЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ МЕТАЛЛА
Поверхностный слой металла включает в себя наружную поверхность, имеющею непосредственный контакт с внешней средой (граничный слой), и нижележащий слой деформированного металла, отличающегося от основной части (сердцевины) металла своим строением, механическими, физическими и химическими свойствами.
ГРАНИЧНЫЙ СЛОЙ
При идеально правильной структуре каждый атом, расположенный внутри металла, во всех направлениях подвергается воздействию силовых полей окружающих его атомов и находится поэтому в состоянии подвижного устойчивого _равновесия. Атомы, расположенные на поверхности, имеют связи только с соседними и нижележащими атомами и находятся поэтому в неуравновешенном, неустойчивом состоянии. В результате этого граничный слой, включающий в себя примерно два ряда атомов (т. е. толщиной порядка 10"8— 10~7 мм), обладает запасом свободной поверхностной энергии.
Поверхностную энергию можно представить в виде суммы потенциальной и кинетической энергий. Потенциальной части энергии соответствует искажение нормального построения решетки (составляющее от долей процента до нескольких процентов от нормального интервала методу атомами), а кинетической — изменение режима колебаний атомов в граничном слое. С последним связана и сильная зависимость.поверхностного натяжения от температуры.
Вследствие своей повышенной активности поверхность твердого тела неизбежно адсорбирует элементы окружающей среды и, как правило, бывает покрыта слоями адсорбированных газов, паров воды и жиров, часто осаждающихся прямо из воздуха.
При обычной технической очистке керосином или бензином остается слой жиров в 1—5 мкм, при очень тщательной очистке — 0,01—0,1 мкм, т. е. слой в 10—100 молекул. Толщина наиболее тонкого слоя адсорбированных жиров соответствует толщине одной молекулы жирной кислоты, равной 0,002—0,004 мкм (20—40 А)а.
1 При составлении гл. 7 использованы труды Н. Н. Давиденкова, Г. И. Епифанова, В. С. Ивановой, В. Д. Кузнецова, Д. Мак Лина, А. Д. Манасевича, Мортон К. Сминта, А. М. Сулимы, Ч. Уэрта и Р. Томсона, Г. Шмальца.
1 А (ангстрем) равен 10’10 м, или 0,0001 мкм.
7 Маталин А. А.	193
Толщина адсорбированных водяных паров составляет 50—100 молекулярных слоев. Даже при нагреве до температуры красного каления сохраняется водяная пленка толщиной в один молекулярный слой.
Поверхности твердых тел в еильной степени адсорбируют также газы. Особенно прочные связи дает химическая адсорбция, при которой толщина слоя газов составляет 10"®—10"? мм.
Адсорбированные слои смазки, особенно поверхностно-активной, оказывают значительное влияние на величину поверхностной энергии, на процесс пластической деформации, на диспергирование поверхностных слоев и прочность металла (эффект Ребиндера). Адсорбция снижает поверхностное натяжение и энергию поверхностных атомов и облегчает развитие деформации.
Поверхность и в особенности трещины и выходящие наружу меж-верновые граничные прослойки являются как бы воротами, через которые чужеродные атомы проникают в твердое тело. Воздействие окружающей среды приводит к возникновению на поверхности различных химических соединений, наиболее типичными представителями которых являются различные окислы.
Так, например, на стали можно наблюдать последовательно слои следующих окислов железа в направлении от поверхности в тело! Fe2O3, Fe3O4, FeO + Fe3O4, FeO.
Обычно общая толщина наружной пленки составляет- в железе — 15—25 А и до 50 А; в стали — 10—20 А; в цинке — 5—6 А; в алюминии — 100—150 А.
ВНУТРЕННЯЯ ЧАСТЬ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
Ниже граничного слоя, покрытого пленкой жиров, водяных паров, адсорбированных пленок и окислов, обычно располагается слой сильно деформированного и упрочненного металла.
У металлов, находящихся в ненапряженном и отожженном состоянии, ниже слоя окисных пленок располагается основная поли-кристаллическая структура, состоящая из более или менее равновесных кристаллических зерен неправильной формы (обычно с размерами от 0,01 до 1,0 мм), связанных межзеренной прослойкой. Кристаллические зерна (кристаллиты) построены из рядов определенным образом расположенных атомов, образующих соответствующие данному металлу кристаллические решетки, однако никакой закономерности взаимной ориентировки направлений кристаллографических осей отдельных зерен не существует.
Межзеренная прослойка имеет искаженную кристаллическую решетку с дислоцированными атомами основного материала и примесей, интенсивно накапливающимися у границ зерен. Прослойка имеет разрыхленное строение с ослабленными силами сцепления и повышенной энергией атомов?—При химической обработке меж-веренная прослойка легко вытравляется, а при упрочнении у границ верен возможно зарождение трещин. При нагреве межзеренные прослойки быстрее, чем внутренние зоны зерен, приходят в вязкое 194
состояние и по ним происходит скольжение, а иногда — отрыв. Толщина межзеренной прослойки составляет 5—20 атомных слоев.
Мозаичная структура. Во многих случаях при кристаллизации формируется так называемая мозаичная структура, состоящая из небольших блоков с размерами 10-3—10'4 мм (т. е. порядка 10 000 атомных расстояний), неправильной формы, но правильного внутреннего строения, разориентированных друг относительно друга под небольшими углами (от нескольких секунд до десятков минут, но не более одного градуса).
В одном кубическом миллиметре может находиться до 1012 блоков. В поперечнике зерна мелкозернистой стали находится около 10 блоков, в крупнозернистой стали, алюминии, вольфраме — от 70 до 200 блоков. Размеры блоков мозаики одного кристалла, даже после полного отжига, могут значительно отличаться друг от друга, что приводит при пластической деформации к возникновению значительных по величине остаточных напряжений, уравновешивающихся в границах одного зерна (т. е. напряжений второго рода).
Блоки мозаики состоят из мелких кристаллитов. Наименьший кристаллит, обнаруженный рентгеновским меТоДом, имел размер 18 А и состоял из 100 элементарных ячеек, включающих 400 атомов.
В кристаллитах всегда существуют атомы, обладающие энергией, превосходящей среднее значение энергии соседних атомов, и способные поэтому преодолеть созданный последними потенциальный барьер, покинуть свои места равновесия в узлах решетки, создавая в них пустоты (вакансии), и Занять новые места в междоузлиях решетки (дислоцированные атомы) или в вакансиях других кристаллических ячеек. Беспорядочное движение атомов вокруг вакансий приводит к попаданию на свободное место в решетке какого-нибудь другого атома, что приводит к исчезновению данной вакансии и появлению новой.
При комнатной температуре число вакансий невелико, однако оно резко возрастает при повышении температуры и при пластической деформации металла, достигая в последнем случае 1018 на 1 см3 (у меди и алюминия после 10 % пластической деформации).
Возникновение вакансий изменяет плотность металла. Наличие вакансий и дислоцированных атомов приводит к значительным искажениям кристаллической решетки.
В реальных кристаллах наиболее химически чистых элементов, содержащих всего 10-7 % примесей, находится порядка 1013 примесных атомов.
Так как чужеродные атомы по своей физической природе и размерам отличаются от атомов основного металла, их присутствие вызывает искажение кристаллической решетки. Примеси оказывают существенное влияние на механические, химические, оптические и магнитные свойства металлов. Точечные дефекты (вакансии, примеси, дислоцированные атомы) вызывают нарушение правильности строения кристаллической решетки и приводят к повышению свободной энергии кристалла. Равновесное положение точечных дефек-
7*	195
тов в решетке является метастабильным, а удаление их из кристалла влечет за собой понижение его свободной энергии.
Дислокации. Сопротивление деформированию и разрушению кристаллов определяется энергией межатомной связи. Каждый атом кристаллической решетки подвергается одновременному воздействию сил притяжения (электростатические силы притяжения противоположно заряженных частиц ионов и электронов) и сил отталкивания (силы отталкивания одноименно заряженных электронов). Общая потенциальная энергия взаимодействия ионов и электронов (энергия связи) является функцией межатомного расстояния. Теоретическая прочность твердого тела при абсолютном нуле возрастает с увеличением модуля упругости Е (модуля Юнга) и величины поверхностной энергии и уменьшается с увеличением расстояния между соседними атомными плоскостями. В связи с этим высокопрочные материалы — это материалы с высокими значениями модуля упругости, большой поверхностной энергии и большим числом атомов в единице объема. Расчетами теоретической прочности металлов установлено критическое напряжение ткр сдвига, необходимое для
осуществления пластической деформации ткр « G/30. Расчеты теоретической прочности металлов по данной формуле дают ее значения на несколько порядков выше их фактической прочности, установленной непосредственными экспериментами.
Так, при теоретической величине критического напряжения сдвига у железа т^ерОр = 2300 МПа его экспериментальное значение составляет всего Ткрсп = 29 МПа, у меди соответственно — 1540 и 1 МПа, а у никеля — 2600 и 5,8 МПа.
Значительные расхождения теоретической и фактической прочности металлов объясняются наличием в реальных поликристаллах различных несовершенств и дефектов кристаллической решетки (точечные дефекты в виде вакансий, дислоцированных атомоь и примесей и линейные дефекты в виде дислокаций различного типа). Особенно сильное влияние на снижение прочности реальных мет ал-лов оказывают дислокации.
На рис. 7.1 дано перспективное изображение расположения атомов вокруг линейной дислокации в простом кубическом кристалле. Атомный ряд 1 и все горизонтальные ряды атомов, располо-196
женные выше него, имеют соответственно на один атом больше ряда 2 и нижележащих рядов атомов Это приводит к искажению строения решетки, при котором расстояние между атомами верхнего ряда у точки О (центр, или ядро дислокации) меньше нормального (решетка сжата), а расстояние между атомами нижнего ряда у точки О больше нормального (решетка растянута). По мере удаления от центра дислокации вправо и влево, вверх и вниз искажение решетки постепенно уменьшается и на некотором расстоянии от О в кристалле восстанавливается нормальное расположение атомов. Аналогичное расположение атомов повторяется в большом числе плоскостей, расположенных параллельно плоскости чертежа, поэтому центры (ядра) дислокации О каждой атомной плоскости кристалла образуют линию наибольших искажений решетки, направленную перпендикулярно к плоскости чертежа. Образование линейной дислокации можно представить по рис. 7.1, как введение в часть объема кристалла лишней атомной плоскости М — О, называемой экстраплоскостью. Наибольшее 'искажение сосредоточено в основном вблизи нижнего края полуплоскости лишних атомов М — О, поэтому под дислокацией обычно и понимается линия искажения, которая проходит вдоль края лишней атомной плоскости. Фактически линейная дислокация представляет собой не просто линию наибольших искажений решетки, а включает в себя всю полосу примыкающих к этой линии атомов, имеющих неправильное взаимное расположение. Дислокация проходит через весь кристалл или значительную его часть на длину порядка 10-4 мм, сливаясь обычно с другими дислокациями, имеющими иное направление, или упираясь концами в какие-либо дефекты структуры кристалла (примеси, границы зерен).
Среднее расстояние между отдельными дислокациями в кристалле составляет 104 межатомных расстояний, что соответствует для отожженного металла 10_3 мм, или 1 мкм. У наклепанного металла расстояние между дислокациями уменьшается до 10-6 мм, т. е. до 0,001 мкм.
Суммарная длина дислокаций в единице объема металла очень велика. Так, в 1 см3 отожженного металла, имеющего плотность дислокаций 10’—108 см-2, суммарная длина дислокаций изменяется от 100 до 1000 км. В наклепанном металле до плотности дислокаций Ю11—1012 ем-2 суммарная длина дислокаций в 100 раз превышает окружность земли по экватору.
Дислокация, изображенная на рис. 7.1 и имеющая в верхнем ряду 1 больше атомов, чем в нижнем ряду 2, считается положительной и обозначается символом I . В противоположном случае, когда в нижнем ряду число атомов больше, чем в верхнем, дислокация считается отрицательной и обозначается символом “Г .
Возникновение дислокаций в кристалле не приводит к нарушению сплошности кристаллической решетки и образованию свободной поверхности, однако атомные слои в месте расположения дислокаций упруго искажаются, в результате чего возникает локальная концентрация напряжения.
197
состоит деформируемый металл. Линейные размеры этих верен изменяются в пределах 0,01—0,1 мм, иногда достигая 1,0 мм. При обработке металлов резанием в поверхностном слое происходит дробление, поворот и вытягивание кристаллических зерен в направлении деформирующей силы и формирование текстуры деформации, придающей структуре видимость волокнистого строения.
Зарождаясь в наиболее слабых или неблагоприятно ориентированных кристаллитах, деформация охватывает все большие зоны; островки упругонапряженных зерен постепенно уменьшаются. При увеличении пластической деформации степень ее неоднородности сначала возрастает (примерно до общей деформации в 20—30 %), а затем начинает снижаться. Хотя и преобладают объемы со средней деформацией, но в отдельных участках она бывает в четыре-пять раз больше средней, а некоторые зоны получают даже деформацию обратного знака; то же наблюдается в пределах отдельного зерна. Так, например, у стали с 0,15—0,26 % углерода при средней деформации, равной 66 %, в отдельных зернах она изменялась от —55 % (сжатия) до +175 % (растяжения).
Выше указывалось, что различные величина и направление пластической деформации соседних кристаллических зерен вызывают появление в них кристаллитных (микроскопических) напряжений — напряжений второго рода.
Макронапряжения (остаточные напряжения первого рода). В результате пластической деформации металла поверхностного слоя при механической обработке, фазовых превращений металла и вследствие тепловых воздействий в этом слое формируются макроскопические остаточные напряжения (остаточные напряжения первого рода), уравновешивающиеся в пределах областей, размеры которых одного порядка с размерами тела. Они вызваны неоднородностью силового, температурного или материального полей внутри тела (в зависимости от природы напряжений) и обычно определяются по величине деформации отрезанных элементов испытуемого образца или по величине смещения положения максимума рефлекса при рентгенографическом методе испытания.
Макронапряжения развиваются в тех наиболее частых случаях, когда степень пластической деформации неоднородна по всему поперечному сечению деформируемого металла. Когда внешняя нагрузка, вызывающая деформацию, снимается, участок металла, растянутый больше других и претерпевший пластическую деформацию, не дает соседним областям полностью вернуться в исходное состояние после упругого растяжения, которому они первоначально подвергались, в результате чего в обоих участках возникают остаточные напряжения разного знака. Область, первоначально наиболее растянутая, оказывается в состоянии остаточного сжатия, а смежная с ней — в состоянии сжатия. .
Изложенные материалы позволяют сделать краткие выводы, которые приводятся ниже.
1. Пластическая деформация осуществляется путем движения волн дислокаций по плоскостям скольжения с их выходом на поверх* 210
на участке АВ, который раньше занимали шесть роликов, размещено только пять. Такое нарушение приводит к возникновению сил, стремящихся вернуть ролики 1, 2, 4, 5 в устойчивое положение равновесия (силы Flt F2, Fit F6). Силы, приложенные к роликам 1 и 5, 2 и 4, равны по величине и направлены в противоположные стороны. В связи с этим, если ролики верхнего ряда соединить между собой упругой лентой, играющей роль связи, то силы Fx и F5, F2 и компенсируют друг друга и система будет находиться в равновесии.
о?
а Ъ с d е f д Л i j к I
1 2. 3 д 5 6 1 8 9 10 Я
В)	. .
а Ь о d е f д h i J к I
с:::";::::
1Z349618 9 10 11
Рис. 7.2
Движение линейной дислокации по плоскости скольжения: а положительная дислокация) б силы, необходимые для движения атомов; в — ряд атомов после перемещения дислокации на однд межатомное расстояние (Мортои К. Смиит)
Подобная картина наблюдается и в случае дислокации, схематически показанной на рис. 7.2, а: силы, действующие на атомы верхнего ряда, симметрично расположенные относительно центра дислокации (рис. 7.2, б), равны по величине и противоположны по знаку (силы Fb = Fj, Fc = Fh Fd = Fh, Fe — Fg). В связи с этим равнодействующая этих сил равна нулю и дислокация находится в равновесии. Однако при небольшом смещении дислокаций в плоскости
Рис. 7.3
Роликовая модель линейной дислокации: силы, приложенные к атомам / и 5, 2 и 4, равны по величине и противоположны по направлению (Епифанов Г. И.)
г
скольжения симметрия расположения атомов относительно центра дислокации нарушается; вследствие этого появляется сила, препятствующая движению дислокаций. Из рис. 7.3 видно, что эта сила не может быть большой, так как перемещение роликов 1, 2 в новое положение равновесия происходит в значительной мере под влиянием сил, действующих со стороны роликов 4, 5, которые также стремятся занять положение устойчивого равновесия. Расчет показывает, что критическое касательное напряжение, необходимое для того, чтобы сдвинуть дислокацию, т0 да 3* 10-4 G, где G — модуль сдвига (это по порядку величины совпадает с опытным значением).
199
Изложенное выше объясняет причину того, что дислокации оказываются подвижными при напряжениях, которые значительно меньше модуля сдвига. Чтобы дислокация передвинулась от одного атомного ряда решетки к следующему, необходимы лишь чрезвычайно мапые изменения в расположении атомов. В ядре дислокации атомы значительно смещены относительно своих нормальных мест в решетке. В связи с этим некоторые из этих атомов расположены так, что их можно перемещать один за другим уже с помощью очень малой силы.
Рис. 7.4
Движение волны смещения (полосы дислокаций) при пластической деформации кристалла
Таким образом, в области дислокации уравновешиваются положительные и отрицательные силы, необходимые для движения атомов, которые уже заранее смещены из положений равновесия и, следовательно, не находятся в крайних точках своего силового цикла. Это делает возможным дальнейшее групповое смещение этих атомов под влиянием настолько малых сдвигающих сил, что в любом ином месте внутри кристалла они могут вызывать только упругую деформацию. Смещение атомов таким образом, как это показано на рис. 7.2, в, не устраняет дислокацию, а только изменяет ее положение. В связи с этим, однажды образовавшись, дислокация может двигаться через кристалл при очень малом напряжении и с очень большой скоростью, приближающейся при больших внешних напряжениях к скорости звуковой волны.
В соответствии с этим процесс скольжения может быть представлен как движение через кристалл некоторой волны смещения, являющейся полосой дислокации (рис. 7.4, а, б), завершающееся появлением на кристалле ступеньки сдвига (рис. 7.4, в), т. е. пластическим смещением одной части кристалла относительно остального его объема.
200
£ 7.2
ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ, УПРОЧНЕНИЕ И РАЗУПРОЧНЕНИЕ МЕТАЛЛА
СУБМИКРОСКОПИЧЕСКАЯ КАРТИНА ПЛЛСТИЧЕСКОП ДЕФОРМАЦИИ
Пластическая деформация. Приложение внешней нагрузки вызывает упругую, t ватем и пластическую деформацию металлов. Для области упругой деформации характерно полное соответствие изменений напряжения и деформации, распространяющейся в твердом теле со скоростью звука, т. е. практически мгновенно. При приложении внешних сил нарушается равновесие сил взаимодействия атомов и для его восстановления атомы незначительно смещаются в новые, но тоже устойчивые положения. При снятии внешней нагрузки атомы возвращаются в прежнее устойчивое положение, соответствующее нормальному строению кристаллической решетки. При этом твердое тело вновь приобретает начальную форму. Максимальная величина упругих деформаций очень мала: обычно относительная деформация по порядку величины не превышает 10-3.
При превышении относительной деформации кристаллов порядка 10'3—10-4 начинается пластическое течение металла, при котором атомы, участвующие в этом процессе, окончательно перемещаются из одного места решетки в другое. Если при деформации кристалла атом сместится по отношению к своим соседям лишь на малую часть параметра решетки, то после снятия нагрузки атом легко вернется на свое исходное место в решетке и деформации кристалла будут упругими.
’ Сдвигообразование.в кристалле, развивающееся под действием внешней силы, в основном представляет собой движение дислокаций по плоскостям скольжения и выход их на поверхность кристалла. Однако смещение первичных дислокаций ограничено и не может вызвать образование углов сдвигов более Г, в то время как ь действительности при пластической деформации кристаллов наблюдается появление углов сдвигов, значительно превышающих указанную величину.
Большая пластическая деформация металла происходит потому, что при смещении первичных дислокаций возникают новые дислокации, т. е. происходит размножение дислокаций. При этом многие первичные дислокации не принимают участия в начальной деформации, так как они сильно заблокированы теми или иными препятствиями и новые дислокации возникают легче, чем приходят в движение эти заторможенные дислокации.
Если бы сдвигообразование происходило только за счет выхода дислокаций, уже имеющихся в кристалле, то процесс пластического деформирования приводил бы к истощению дислокаций и переводу кристалла в более совершенное состояние. В противоположность этому с ростом степени деформации искажение решетки не уменьшается, а возрастает и соответственно увеличивается и плотность
201
Рис. 7.5
Схема образования мыльных пузырей (Г, И. Епифанов)
дислокаций. Такое явление объясняется тем, что в процессе пластической деформации под действием внешних сил происходит дополнительное генерирование дислокаций. Механизм такого генерирования был открыт в 1950 г. Франком и Ридом. Действие источника Франка-Рида может быть уподоблено процессу образования мыльных пузырей с помощью трубки (рис. 7.5). При смачивании конца трубки мыльным раствором образуется плоская пленка, закрывающая отверстие. При постепенном повышении давления воздуха в трубке пленка выпучивается, проходя стадии 1, 2, 3, 4 и т. д.; до тех пор, пока она не примет форму полусферы (стадия 2), ее состояние является неустойчивым: с уменьшением давления пленка сокращается, стремясь к первоначальному состоянию /. После прохожде-
ния стадии 2 состояние пузыря меняется: он может развиваться не
только при постоянном, но и при постепенно уменьшающемся давлении до тех пор, пока не отделится от конца трубки. Вслед за первым пузырем начинает формироваться второй, за ним третий
и т. д.
На рис. 7.6, а показана линейная дислокация DD', расположенная в плоскости скольжения; точки D и D' закреплены неподвижно
и в перемещении дислокации не участвуют. Такое закрепление может произойти в местах пересечения данной дислокации с другими дислокациями, на примесных атомах и т. д. Под действием внешнего напряжения т дислокация начинает выгибаться подобно мыльной пленке и в какой-то момент времени принимает форму полуокружности (рис. 7.6, б). Выгибание дислокации (как и в случае мыльных пузырей) может происходить лишь при непрерывно растущем напряжении. Максимального значения i
Рис. 7.6
Последовательные стадии действия источника Франка—Рида (Г. И. Епифанов)
достигает в момент, когда дисло-
кация принимает форму полуокружности. В связи с этим дальнейшее ее развитие происходит самопроизвольно посредством образования двух спиралей (рис. 7.6, в), которые после встречи в точке С (рис. 7.6, г) приводят к разделениюлислокации на две: на внешнюю, замыкающуюся в виде наружной окружности (рис. 7.6, д), и на внутреннюю, приходящую в первоначальное положение DD'. Наружная дислокация разрастается до внешней поверхности кристалла
и приводит к элементарному сдвигу; внутренняя, заняв исходное по-
202
Рис. 7.7
Преодоление препятствия два* жеиия дислокации fe зерне хрома; Х2000 (Г. И. Епифанов)
ложение DD't под действием напряжения т начинает снова выгибаться и разрастаться, т. е. так, как описано выше. Такой процесс может повторяться какое угодно число раз, обеспечивая появление на данной плоскости скольжения заметного смещения одной части кристалла относительно другой. По даннььм разных исследований из одного источника может образоваться до 1000 новых дислокаций.
Интенсивность генерирования новых дислокаций сильно зависит от уровня приложенных напряжений; при его повышении в 1,4 раза наблюдалось увеличение плотности новых дислокаций в 1000 раз.
Дислокации влияют на плотность, электро- и теплопроводность, а также на внутреннюю энергию и приводят к увеличению объема вследствие эффектов упругости второго порядка. Соответствующие вычисления показывают расширение, составляющее около двух атомных объемов на межатомное расстояние в дислокации. Так как дислокации представляют собой нарушение регулярности кристаллической решетки, они рассеивают электроны и фотоны и уменьшают электро-и теплопроводность.
Деформационное упрочнение. В связи с тем что пластическая деформация представляет собой движение дислокаций по плоскостям скольжения с их выходом на
поверхность кристалла, возникновение всевозможных препятствий, затрудняющих движение дислокаций, вызывает упрочне
ние поликристалла.
К числу подобных препятствий прежде всего относятся другие дислокации, имеющиеся в кристалле, так как преодоление сил отталкивания одноименных дислокаций и точек пересечения различных дислокаций требует затрат дополнительной энергии. В связи с этим увеличение общего числа дислокаций (т. е. повышение плотности дислокаций), происходящее в связи с их генерированием источниками Франка—Рида в процессе пластической деформации, сопровождается деформационным упрочнением.
Деформационное упрочнение (наклеп) металла, обрабатываемого резанием, обкаткой роликами и шариками, дробеструйным наклепом, чеканкой и другими механическими способами упрочняющей технологии, в значительной степени основано на увеличении плотности дислокаций.
Неподвижные препятствия (атомы примесей, дисперсные фазы и другие точечные дефекты), огибаемые движущейся дислокацией, вызывают увеличение ее длины (рис. 7.7) И резкое усиление искажений кристаллической решетки, связанное с затратой дополнительной работы. На участках преодоления подобных дефектов сопротивление перемещению дислокаций значительно возрастает, т. е. ме-
203
талл упрочняется. Равномерное распределение атомов примесей и создание дисперсных фаз достигается в настоящее время методами легирования и специальной термической и термомеханической обработкой, обеспечивая значительное упрочнение металлов.
Таким образом, дефекты решетки оказывают на сопротивление кристалла деформации двоякое действие. Способствуя образованию дислокаций, они ослабляют кристалл. С другой стороны, они упрочняют его, так как препятствуют свободному перемещению дислокаций. При этом некоторой плотности дислокаций рт соответствует минимальное сопротивление кристалла деформации (рис. 7.8).
u s; г'
5? Ei
I
8-
•- Теоретическая прочность
о рт
Число дефектов 6 единице объеме
РИС. 7.8
Зависимость сопротивления деформации от числа дефектов в кристалле

Уменьшение р по сравнению с рт приводит к повышению прочности, так как приближает структуру к идеальной. Увеличение числа дефектов по сравнению с рт также вызывает повышение прочности вследствие увеличения сопротивления перемещению дислокаций. Все методы упрочнения, применяемые в настоящее время (наклеп, легирование, термообработка), соответствуют правой пологой ветви кривой рис. 7.8. Значительно более заманчивым является использование левой ветви этой кривой, отвечающей получению бездефектных кристаллов, однако в этом направлении сделаны еще только первые шаги, т. е. получены тонкие нитевидные кристаллы (так называемые «усы»), обладающие почти идеальной внутренней структурой. Толщина усов колеблется обычно от 0,05 до 2 мкм, длина от 2—3 до 10 мм. Замечательным свойством таких кристаллов является исключительно высокая прочность, близкая к теоретической величине. Так, у нитевидных кристаллов железа предел прочности оказался равным 13 360 МПа (1336 кгс/мм2), у меди — 3000 МПа (302 кгс/мм2), у цинка — 2250 МПа (225 кгс/мм2), в то время как в обычном состоянии эти металлы имеют пределы прочности, равные соответственно 300 МПа (30 кгс/мм2), 260 АШа (26 кгс/мм2) и 180 МПа (18 кгс/мм2). Упругая деформация у нитевидных кристаллов может достигать нескольких процентов, в то время как у обычных кристаллов опа не превышает сотых долей процента.
Особенно резко увеличивают сопротивление перемещению дислокаций границы кристаллических зерен, границы блоков мозаики и обособленные включения, содержащиеся в решетке. Для преодоления этих препятствий требуется приложение более высоких внешних напряжений, поэтому измельчение кристаллических зерен (создание мелкозернистой структуры металла) и дробление кристаллических блоков, во многих случаях сопровождающее пластическую деформацию обрабатываемого металла, вызывает его деформационное упрочнение. Расчеты показывают, что при уменьшении размеров кристаллических зерен до 1 мкм (что в принципе возможно осуще-204
ствить путем комбинированной термомеханической обработки) предел текучести некоторых железоуглеродистых сплавов может быть повышен в три раза.
ИСКАЖЕНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ (ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ ТРЕТЬЕГО РОДА)
Деформационное упрочнение металла в связи с его пластической деформацией в большой мере зависит от напряженного состояния металла в субмикроскопической (т. е. в объемах кристаллической решетки) и в микроскопической областях.
При осуществлении пластической деформации расходуется энергия, 75—90 % которой необратимо превращается в теплоту, а 10— 15 % (и при динамическом приложении силы — 25 %) — поглощается кристаллической решеткой. Поглощенная металлом энергия переводит его из устойчивого, т. е. неупрочненного, состояния в неустойчивое упрочнение. При этом практически вся накопленная в металле энергия (99,9 %) сохраняется в нем в виде искажений кристаллической решетки, имеющих масштабы атомных размеров (по классификации остаточных напряжений академика Н. Н. Дави-денкова, называемых напряжениями третьего рода). Напряжения третьего рода проявляют свое действие в масштабах КГ6—10~? мм, т. е. в областях, состоящих из нескольких элементарных ячеек.
Напряжения кристаллической решетки формируются вокруг дислокаций и в прямолинейной дислокации уменьшаются пропорционально расстоянию от линии дислокации. На расстоянии I мкм от нее напряжение приблизительно равно пределу текучести отожженного металла. Другими источниками напряжений третьего рода, охватывающих область меньшего порядка, чем у дислокаций, являются внедренные атомы. В зависимости от их размеров возможны как растяжение, так и сжатия решетки, создающие силовые поля, распространяющиеся по всем направлениям примерно на одинаковом расстоянии.
Напряжения решетки, связанные с пластической деформацией, в несколько раз больше номинальных средних напряжений, вычисляемых при инженерных расчетах; это объясняется тем, что давление головной дислокации на барьер в п раз больше приложенного внешнего напряжения, если п — число задержанных в данном атомном ряду дислокаций.
Остаточные напряжения третьего рода (искажения кристаллической решетки) определяются теоретическими расчетами или экспериментальными рентгенографическими исследованиями и другими методами и обычно характеризуются параметрами: плотностью дислокаций — р, см"®, степенью искажения кристаллической решетки — ^зю//ф; изменением параметра решетки Да/п и степенью дробления кристаллических блоков.
Плотность дислокаций — р, см"®, определяемая общей длиной рсех линий дислокаций в единице объема кристалла, выраж автся формулой:
205
р = L/v,
где L — общая длина линий дислокаций, см; v — объем кристалла, см3.
В связи с тем что участки выходов дислокаций на поверхность кристалла отличаются повышенной химической активностью, при травлении поверхности пластически деформированных кристаллов на ней появляются ямки травления, по числу которых на единицу поверхности также может экспериментально определяться плотность и расположение дислокаций. При первом виде оценки получается несколько большая цифра, так как большинство дислокаций, вероятно, не будет расположено нормально к произвольной поверхности. Плотность дислокаций р, см-?, при различных условиях имеет следующие приближенные значения:
Тщательно выращенный кристалл очень высокой частоты...................................... О—103
Отожженный обычный монокристалл............. 105—10е
Отожженный поликристаллический образец . . .	107—108
Металл после большой холодной пластической деформации .................................... 10й—101=
определяется от-
Рис. 7.9
Зависимость степени искажения кристаллической решетки от глубины шлифования технического железа со скоростью вращения заготовки 39 м/мин и при продольной подаче 1000 мм/мии
Степень искажения кристаллической решетки ношением интегральной интенсивности /310 почернения (площади под пиком на дифрактограмме) рефлекса 310 к интенсивности фона 7ф в угловых пределах этого рефлекса (за вычетом космического и приборного фона), т. е. отношением —/зцДф. При повышении степени искажения кристаллической решетки величина этого отношения уменьшается, поэтому при проведении некоторых исследований (в частности, технологических исследований влияния видов и режимов механической обработки на деформационное упрочнение металла, когда одновременно фиксируется изменение и других характеристик металла, таких как микротвердость, ширина рентгеновских линий и т. п.) бывает удобно пользоваться обратной величиной, т. е. /ф//3ю, так как с повышением степени искажения кристаллической решетки, а следовательно, с повышением степени упрочнения эта величина растет (рис. 7.9).
Современные методы исследования (электронно-микроскопическое просвечивание металлической фольги, рентгеновская дифракция) позволяют непосредственно наблюдать перемещение отдельных дислокаций в фольге и фотографировать их положения в кристалле.
Повышение степени искажения кристаллической решетки, уменьшение параметра решетки и увеличение плотности дислокаций обычно сопровождаются повышением степени деформационного упрочнения, и часто принимаются в Качестве критериев иХ оценки.
206
зависят от степени воздействия каждой из причин, участвующих в формировании остаточных напряжений.
Влияние скорости резания при точении чаще всего проявляется в изменении теплового воздействия (с повышением скорости резания количество теплоты, выделяющейся в зоне резания, возрастает) и в изменении продолжительности теплового и силового влияния на металл поверхностного слоя со стороны инструмента.
При обработке пластичных материалов, например стали ЭИ437Б (рис. 7.18, а), когда под действием напряженного поля стружки в металле поверхностного слоя возникают остаточные напряжения растяжения, повышение скорости резания приводит к появлению дополнительных тепловых растягивающих напряжений, увеличивающих общую величину остаточных напряжений растяжения.
Ч)	7
б,МЦа(кгс1мм)
т(во)
esz(w)
О 10 20К м/Мин
$0,МПа(т[мм2) 391(40) Ж-
°
~392(-40) —pJ
-7WH0L—1_____I
1В)
<Ма(кп/лм) п jo jo sp
-98(-10)
-196(-20)
' -294 (-30)
Рис. 7.18
Влияние скорости резания на остаточные напряжения при точении (по материалам П« Е. Дъя* ченко, Н. А. Подоссиовой, Г. А* Дерягина, Б. А. Кравченко)
При обработке пластичных материалов, воспринимающих закалку, например стали ЗОХГС (рис. 7.18, б), увеличение количества теплоты в зоне резания, связанное с повышением скорости резания, может привести к закалке металла поверхностного слоя, полнота протекания которой возрастает с увеличением температуры нагрева, а следовательно, и скорости резания. Увеличение удельного объема металла поверхностного слоя при его закалке приводит к снижению остаточных напряжений растяжения, формирующихся при малых скоростях резания, и превращению их в напряжения сжатия при обработке на больших скоростях.
При обработке малопластичных материалов резанием с образованием элементной стружки, при которой формируются остаточные напряжения сжатия, повышение скорости резания может вызвать появление дополнительных тепловых остаточных напряжений растяжения, приводящих к уменьшению сжимающих и даже к образованию растягивающих напряжений.
При точении закаленных материалов увеличение нагревания поверхностного слоя, связанное с возрастанием скорости резания, может вызвать отпуск металла и уменьшение его удельного объема, что приводит к снижению остаточных напряжений сжатия, возникающих под влиянием напряженного поля передней поверхности инструмента при малых скоростях резания (рис. 7.18, в). В примере, приведенном на рис. 7.18, в, увеличение скорости резания закаленной стали 45ХНМФА с 10 до 110 м/мин сопровождалось понижением
219
пения скольжения достигают ориентировки, параллельной главной оси деформации.
Задержка движущихся дислокаций у какого-либо препятствия может вызвать поворот и искривление кристаллической решетки,
вызывающие соответствующее искривление поверхности скольжения.
При пластической деформации вдоль плоскостей скольжения решетка металла распадается на блоки разной величины, которые
Рис. 7.10
Образование пачек скольжения при движении линейных дислокаций
повернутся друг к другу под весьма ма-лыми углами (блоки мозаики).
Кристаллитные напряжения (остаточные напряжения второго рода). Кристаллитные напряжения (или по классификации Н. Н. Давиденкова, напряжения второго рода) уравновешиваются в пределах отдельных зерен поликристалла, состоящих из отдельных блоков мозаики или состоящих из различно ориентированных кристаллитов с правильным строением атомной решетки.
Пластическая деформация поликристалла, протекающая в отдельных кристаллитах неравномерно, вызывает появление кристаллитных напряжений по следующим причинам: различные кристаллиты, входящие в кристаллические зерна металлов, обладают различной величиной модуля упругости; деформируемость одного и того же кристаллита по разным
кристаллографическим осям различна.
Способность деформироваться определяется величиной модулей упругости первого и второго рода (£ и G), величина которых в ме-
таллических кристаллах изменяется в различных кристаллографических направлениях очень значительно. Так, например, отношение
максимального значения модуля упругости к минимальному характеризуется следующими цифрами:
а-железо . Алюминий
£ G
2,14 1,94
1,20 1,16
£ а
Медь	.... 2,85 2,48
Цинк	.... 3,55 1,78
В связи с этим даже при равномерном распределении в кристаллических зернах однородных кристаллитов разные зерна будут иметь по направлению действующей силы разные значения модуля упругости. Так как вследствие связи между отдельными элементами происходит их совместная деформация, то напряжения в них будут неодинаковы. Пластическая деформация поликристаллов распределяется в микрообъемах неравномерно (даже при однородном поле напряжений). В этом случае степень неравномерности достигает 400—500 %, причем возможно даже изменение знака деформации. В результате этого, если в отдельных кристаллитах имеет место
208
пластическая деформация, то при разгрузке вокруг этих кристаллитов появляется зона остаточных напряжений второго рода.
Напряжения второго рода возникают также при фазовых превращениях металла, вызывающих изменение объема отдельных кристаллитов. Напряжения между различными по фазовому состоянию кристаллитами возникают независимо от ориентации последних — " перлите напряжения этого
упорядоченной или беспорядочной, в происхождения порядка 75 МПа.
В закаленной малоуглеродистой стали обнаружены напряжения второго рода порядка 500—600 МПа, в высокоуглеродистой —до 1600 МПа.
При экспериментальных исследованиях величина кристаллитных напряжений часто оценивается путем сравнения ширины линий рентгенограмм, снятых с напряженных (например пластически деформированных) и с ненапряженных (после отжига) образцов. При возникновении и прн увеличении кристаллитных напряжений ширина линий рентгенограмм увеличивается.
Необходимо отметить, что расширение линий рентгенограмм вызы
Рис. 7.11
Зависимость ширины линий рентгенограмм’ от глубины шлифования технического железа при скорости вращения заготовки 39 м/мин и продольной подаче 1000 мм/мин
вается не только появлением кристаллитных напряжений, но и размельчением кристаллитов, причем последнее оказывает даже более сильное влияние на расширение линий. При необходимости влияние этих разных факторов на расширение линий может быть разделено и отдельно могут быть вычислены размеры кристаллитов и величина кристаллитных напряжений.
В связи с тем что оба явления (измельчение кристаллитов и появление кристаллитных напряжений) обычно сопровождаются упрочнением металла поверхностного слоя, в практике технологических исследований часто принимается изменение ширины рентгеновской линии в качестве признака и даже критерия деформационного упрочнения (рис. 7.11).
Кристаллитные напряжения (напряжения второго рода), уравновешивающиеся в объеме кристаллического зерна, т. е. в микроскопической области, и искажения кристаллической решетки (напряжения третьего рода), развивающиеся в отдельных зонах кристаллической решетки, т. е. в субмикроскопической области, в научно-технической литературе часто характеризуются общим термином микроскопические напряжения.
МАКРОСКОПИЧЕСКАЯ КАРТИНА ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ
Деформация кристаллических зерен. При пластической деформации происходит изменение форм деформируемых заготовок, а также формы и взаимной ориентировки кристаллических зерен, из которых
209
Если силы, действующие на дислокацию, каким-либо образом уравновешены, то она остается неподвижной, находясь в некотором метастабильном состоянии.
Чтобы вывести дислокацию из такого состояния, необходимо подвести к материалу энергию извне, прикладывая внешнюю неуравновешенную нагрузку или повышая температуру материала,
Дополнительная внешняя нагрузка вызывает смещение дислокации в направлении вектора результирующей силы. Повышение температуры увеличивает подвижность дислокации, поэтому происходит смещение дислокаций при приложении меньших по величине внешних нагрузок. При этом общее количество дислокаций в кристалле непосредственно от температуры его нагрева не зависит, т. е. дислокации атермичны.
Силовые поля дислокаций взаимодействуют между собой. Если дислокации, расположенные в одной плоскости скольжения, обладают одинаковым знаком, то они отталкиваются одна от другой; если же дислокации имеют разные знаки, то они притягиваются. По мере сближения дислокаций одного знака сила их взаимного отталкивания возрастает, а в области сближения таких дислокаций возникает высокая концентрация напряжений тем большая, чем больше дислокаций находится в зоне скопления. Сближение дислокаций разного знака приводит к их аннигиляции (взаимоуничтоже-нию) с выделением энергии.
Дислокации возникают в реальном кристалле в процессе его роста из расплава или раствора.
Источниками дислокаций в недеформированном кристалле могут служить также скопления вакансий.
Линии дислокаций могут заканчиваться выходом на границу (поверхность) кристалла. Внутри кристалла дислокация не может оборваться внезапно, т. е. так, чтобы далее простиралась область правильной структуры (в направлении линии дислокации), поэтому во внутренних зонах концы линий дислокаций должны соединяться, образуя замкнутые системы. В связи с этим кроме простых линейных дислокаций в кристаллах существуют криволинейные дислокации разной формы, а также возникают «большие дислокации», которые могут быть разложены на ряд простых дислокаций. Второй разновидностью «правильно построенных» дислокаций являются винтовые дислокации, расположенные по винтовой поверхности. Дислокации в реальных кристаллах формируются обычно как разнообразные сочетания форм линейной и винтовой дислокаций.
Полосы дислокации перемещаются в плоскостях скольжения кристаллов при приложении минимальной внешней сдвигающей силы. Пусть, например, в плоскости S возможного скольжения кристалла находится положительная дислокация с центром в точке / и границами в точках а и k (рис. 7.2, а). В равновесном состоянии результирующая сила, действующая на эту дислокацию со стороны решетки, равна нулю. Это легко понять из роликовой модели, показанной на рис. 7.3. В верхнем ряду роликов, располагающихся нормально во впадинах нижнего ряда, произведено нарушение структуры!
198
ность кристаллов и образованием соответствующих ступенек сдвига. Происходящее при этом генерирование новых дислокаций, вовлекаемых в общее движение, увеличивает объем и степень пластической деформации. При этом происходит: а) изменение формы деформируе7 мых заготовок, а также дробление, поворот и вытягивание зерен их поликристаллов с образованием текстуры деформации; б) возникновение полос (пачек) скольжения с формированием кристаллических блоков различных размеров и их дальнейшим дроблением и взаимным вращением; в) искажение кристаллической решетки в области плоскостей скольжения, со смещением атомов с положений устойчивого равновесия в неустойчивое, поворот кристаллической решетки и искривление плоскостей скольжения.
2. Пластическая деформация сопровождается деформационным упрочнением (наклепом) металла и изменением некоторых его физических и химических свойств. Деформационное упрочнение (наклей) является атермическим процессом и определяется степенью пластической деформации металла, зависящей от величины и продолжительности воздействия деформирующей внешней силы. Степень деформационного упрочнения повышается: а) при увеличении плотности дислокаций в процессе деформации металла и торможения их перемещений в узлах пересечений дислокаций и других препятствий, нарушающих правильность строения кристаллической решетки; б) при измельчении кристаллических блоков и появлении дополнительных границ зерен, затрудняющих движение дислокаций и усиливающих эффект блокирования плоскостей скольжения одного зерна соседними зернами с другой ориентацией кристаллической решетки, в результате чего скольжение, которое началось в одном зерне, не может свободно развиваться далее и тормозится соседними зернами; в) при увеличении поверхностной энергии кристаллических блоков, связанном с их дроблением и уменьшением размеров поперечного сечения, создающим области затрудненной деформации кристаллов; г) при формировании напряженного состояния металла в его микроскопических и субмикроскопических объемах (образование межкристаллитных и виутрикристаллитных напряжений второго рода и искажений кристаллической решетки, определяющих величину напряжения третьего рода); д) при пластической деформации и деформационном упрочнении, сопровождающемся изменением ряда физических, химических, электрических, магнитных и иных свойств металла; в частности, они уменьшают плотность металла (при достижении степени холодной пластической деформации, равной 90 %, объем деформированного чистого железа и стали увеличивается на 5 %), снижают коррозийную стойкость металла, его магнитную проницаемость, остаточную индукцию, электропроводность и теплопроводность, повышают коэрцитивную силу и электрическое сопротивление, скорость протекания диффузионных процессов, особенно процессов, происходящих в разрыхленной меж-зеренной прослойке при большой разориентировке кристаллических зерен.
211
Изменение указанных свойств металлов может оказать существенное влияние на важные эксплуатационные свойства некоторых деталей машин, что необходимо учитывать при проектировании технологических процессов и режимов обработки этих деталей.
РАЗУПРОЧНЕНИЕ (ОТДЫХ, ВОЗВРАТ) МЕТАЛЛА
Пластическая деформация металла, сопровождающаяся его деформационным упрочнением в связи с увеличением плотности и торможением дислокаций, искажениями кристаллической решетки, неоднородным распределением внутренних напряжений между отдельными зернами и даже между отдельными зонами поликристал-лического конгломерата, формированием остаточных напряжений второго и третьего родов, приводит металл в структурно неустойчивое, метастабильное состояние. В связи с этим в металле самопроизвольно возникают релаксационные явления разупрочения (отдыха), возвращающие металл в более устойчивое состояние.
Разупрочнением (отдыхом или возвратом) называется снятие деформационного упрочения металла, созданного пластической деформацией.
При комнатной температуре разупрочнение наклепанного металла протекает довольно медленно или даже отсутствует (особенно у тугоплавких металлов), однако даже при незначительном подогреве, сообщающем дислокациям и отдельным атомам необходимую подвижность, отдых протекает в полной мере. При этом даже незначительные перемещения атомов могут снять искажения кристаллической решетки. Например, для устранения искажений кристаллической решетки железа достаточно произвести его нагрев до 200 — 300 °C, и после этого его механические свойства восстанавливаются такими, какими они были до пластической деформации.
Скорость разупрочнения в значительной степени определяется температурой нагрева металла и степенью его упрочнения. Очевидно, что чем сильнее упрочнен металл, т. е. чем больше он удален от состояния равновесия, тем быстрее и полнее должно протекать его разупрочнение. При данных условиях разупрочнения (температура, степень упрочнения и др.) его степень определяется продолжительностью разупрочнения. Чем больше времени металл подвергается «отдыху», тем полнее (при прочих равных условиях) происходит восстановление свойств, которые он имел до пластической деформации, т. е. тем полнее его разупрочнение.
Разупрочнение металла происходит не только после окончания пластической деформации, но и в период самой деформации. При пластической деформации металла в нем протекают два противоположных по своим результатам процесса —упрочнение и разупрочнение. Это объясняется тем, что пластическая деформация в металле происходит не одновременно во всем объеме, а начинается с наиболее благоприятно ориентированных зерен, упрочняющихся пропорционально степени их деформации. Только после упрочнения наиболее благоприятно ориентированных, а следовательно, и наиболее «сла-212
бых» зерен в пластическую деформацию вовлекаются и менее благоприятно ориентированные зерна, и пластическая деформация охватывает весь объем металла. В этот момент в ранее деформированных и упрочненных зернах начинается процесс разупрочнения, стимулируемый внешними напряжениями, облегчающими перемещения атомов в решетке. Экспериментально показано, что при подборе соответствующего режима пластической деформации упрочнение металла может полностью сниматься разупрочнением («отдыхом»), протекающим в момент самой деформации. В результате этого деформированный образец может приобрести текстуру деформации при отсутствии остаточных напряжений, искажений кристаллической решетки и без увеличения сопротивления деформации, т. е. без упрочнения.
Таким образом степень разупрочнения (отдыха) повышается: а) при возрастании температуры отдыха; б) при увеличении продолжительности отдыха; в) при повышении степени упрочнения; г) при росте величины внешних напряжений, стимулирующих протекание отдыха.
Степень разупрочнения снижается при повышении температуры плавления деформированного металла.
§ 7’3
ВЛИЯНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
НА СОСТОЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ЗАГОТОВКИ
ДЕФОРМАЦИОННОЕ УПРОЧНЕНИЕ (НАКЛЕП) МЕТАЛЛА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
При обработке заготовок резанием под действием прилагаемых сил в металле поверхностного слоя происходит пластическая деформация, сопровождающаяся его деформационным упрочнением (наклепом). Интенсивность и глубина распространения наклепа возрастают с увеличением сил и продолжительности их воздействия и с повышением степени пластической деформации металла поверхностного слоя.
Одновременно с упрочнением (под влиянием нагрева зоны резания) в металле поверхностного слоя протекает отдых (разупрочнение, возврат), возвращающий металл в его первоначальное нена-клепанное состояние. Конечное состояние металла поверхностного слоя определяется соотношением скоростей протекания процессов упрочнения и разупрочнения, зависящим от преобладания действий в зоне резания силового или теплового фактора.
Степень и глубина распространения наклепа изменяются в зависимости от вида и режима механической обработки и геометрии режущего инструмента. Всякое изменение режима резания, вызывающее увеличение сил резания и степени пластической деформации, ведет к повышению степени наклепа. Рост продолжительности воздействия сил резания на металл поверхностного слоя приводит
213
к увеличению глубины распространения наклепа. Изменение режимов обработки, приводящее к возрастанию количества теплоты в зоне резания и продолжительности теплового воздействия инструмента на металл зоны резания, усиливает интенсивность отдыха, снимающего наклеп поверхностного слоя.
С этих общих позиций может быть оценено влияние режимов резания на наклеп поверхностного слоя, однако на практике картина значительно усложняется влиянием сил трения, изменением условий отвода теплоты из зоны резания, структурными изменениями металла и некоторыми другими явлениями, трудно поддающимися предварительному учету и искажающими ожидаемые закономерности возникновения наклепа.
Рис. 7.12
Влияние подачи s н радиуса г закругления вершимы резца на микротвердость Н обточенной поверхности
И.ПЛа (кгс/пн1) 7(М)(800) <—
6880(700)]^
5860(600)
2940(300) iseof2oo)
h,wtn 200
150
100
50
-60	-30 -15 0 15у,
Рис. 7.13
Влияние переднего угла у резца иа микро-t твердость Н и глубину наклепа Л
В процессе обработки точением наклеп поверхностного слоя повышается при увеличении подачи и глубины резания в связи с возрастанием радиуса" округления режущего лезвия (рис. 7.12) и при переходе от положительных передних углов резца к отрицательным (рис. 7.13). Во всех указанных случаях увеличение наклепа связано с усилением степени пластической деформации в связи с ростом сил резания.
Влияние скорости резания чаще всего проявляется через изменение теплового воздействия и продолжительности воздействия сил и нагрева на металл поверхностного слоя. Для металлов, не претерпевающих при резании структурных изменений, при повышении скорости резанйя следует ожидать снижения наклепа (рис. 7.14) вследствие сокращения продолжительности воздействия деформирующих сил на металл, что должно привести к уменьшению глубины наклепа, а также в результате интенсификации трения и выделения теплоты в зоне резания, ускоряющей протекание отдыха.
В процессе обработки сталей, претерпевающих структурные изменения (например, марки У10), при увеличении скорости резания возрастание теплоты может вызвать поверхностную закалку обрабатываемой заготовки, что обусловит повышение микротвердости металла поверхностного слоя (рис. 7.15), однако в этом случае упрочнение поверхностного слоя будет связано не с наклепом металла, а с его структурными изменениями.
214
Аналогично точению увеличение подачи и глубины резания при фрезеровании повышает степень наклепа. Значительно увеличивается наклеп при износе режущего инструмента. При встречном фрезеровании наклеп оказывается больше, чем при попутном (рис. 7.16).
— 0,65
52050 100 200 300	500 V,фин
0)	>
fl,МКН
70
50
30________
ТОО 150 200 250 300 350 у, м/нин
Рис. 7.14
Влияние скорости резаиия на упрочнение сталей, не претерпевающих струк-* турных изменений, при точении («) н фрезеровании (<7)1
1 — сталь ЗОХГС; 2 — сталь 20
Общие закономерности возникновения наклепа сохраняются и при абразивной обработке: наклеп возрастает при усилении нагрузки на абразивное зерно, что связано с увеличением глубины шлифования, частоты вращения изделия (или продольной подачи стола при плоском шлифовании), а также размера и радиуса округления абразивных зерен (см. рис. 7.17). При повышении частоты вращения
Ц,МПа(кгс1мнг)
5886(600) • ^305(500) -392Ь!М0)
'в ТОО 200 300 ЧОО^м/ниН
Рнс. 7.15
Влияние скорости резания v иа упрочнение сталей, претерпевающих структурные изменения:
1 — сталь У10; 2 — сталь 25ХНВА
Рис. 7.16
Влияние износа фрезы на иаклеп поверх- > ности заготовки из стали 2X13 при встречном (а) и попутном (О') фрезеровании с v = 38 м/мии; &г = 0,05 мм/зуб; < = =э 1 мм:
1 — вновь заточенная фреза; 2 — фрез а г проработавшая половину периода стой* костн; 3 — изношенная фреза
круга нагрузка на абразивные зерна снижается, а количество теплоты, выделяющейся в зоне шлифования и снимающей наклеп, увеличивается. Упрочнение поверхностного слоя при этом уменьшается (рис, 7.17). С увеличением числа ходов выхаживания в связи с продолжительным трением абразивных зерен и обрабатываемой поверхности, вызывающим пластическую деформацию металла поверхностного слоя, наклеп возрастает.
215
При доводке различными способами тоже происходит наклеп металла поверхностного слоя, особенно значительный при доводке в режиме полирования.
Хонингование закаленной стали в режиме резания —самозатачивания повышает микротвердость металла поверхностного слоя в связи с его наклепом на 15—20 %, а в режиме полирования — на 30—40 % при глубине распространения наклепа в пределах 15—20 мкм.
Рис. 7.17
Влияние зернистости и скорости круга на иаклеп поверхности закаленной стали: 1 — зернистость 5; 2 зернистость 6; 3 — зернистость 10
Суперфиниширование отожженной стали увеличивает микротвердость металла поверхностного слоя на 35—40 %, а закаленной стали — на 25—30 % при глубине распространения наклепа 5— 10 мкм. И в этом случае при переходе от режима резания —самозатачивания к режиму полирования наблюдается повышение степени наклепа, которое выражается в большем дроблении кристаллических блоков и увеличении искажений кристаллической решетки.
При доводке свободным абразивом наклеп стали 45 повышает микротвердость с Нисх = 3930 до 5700 МПа (с 400 до 580 кгс/мм2), т. е. на 45 % (при глубине распространения наклепа 15—20 мкм).
ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ МЕТАЛЛА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
Причины возникновения остаточных напряжений. Возникновение остаточных напряжений в поверхностном слое при механической обработке заготовок объясняется следующими основными причинами.
1.	При воздействии режущего инструмента на поверхность обрабатываемого металла в его поверхностном слое протекает пластическая деформация, сопровождающаяся упрочнением и изменением некоторых физических свойств металла. Пластическая деформация металла вызывает уменьшение его плотности, а следовательно, обусловливает рост удельного объема, достигающий 0,3—0,8 % удельного объема до пластической деформации. Увеличение объема металла распространяется только на глубину проникновения пластической деформации и не затрагивает слоев металла, лежащих ниже..
Увеличению объема пластически деформированного металла поверхностного слоя препятствуют связанные с ним недеформирован-ные нижележащие слои; в результате этого в наружном слое возникают сжимающие, а в нижележащих слоях —растягивающие остаточные напряжения.
2.	Режущий инструмент, снимающий с обрабатываемой поверхности элементную стружку, вытягивает кристаллические зерна 216
металла подрезцового слоя, которые при этом претерпевают упругую и пластическую деформации растяжения в направлении резания. Трение задней поверхности режущего инструмента об обрабатываемую поверхность (в свою очередь) способствует растяжению кристаллических зерен металла поверхностного слоя. После удаления режущего инструмента пластически растянутые верхние слои металла, связанные как единое целое с нижележащими слоями металла, приобретают остаточные напряжения сжатия, ориентированные по направлению резания. Соответственно этому в нижележащих слоях развиваются уравновешивающие их остаточные напряжения растяжения. При этом в направлении, перпендикулярном к направлению скорости резания (т. е. в направлении подачи), тоже протекают упругая и пластическая деформации кристаллических зерен, вызывающие возникновение остаточных напряжений (осевые напряжения), величина и знак которых могут совпадать или не совпадать с величиной и знаком остаточных напряжений, ориентированных в направлении скорости резания.
3.	При отделении от обрабатываемой поверхности сливной стружки (обработке пластичных металлов при соответствующих условиях резания) после пластического вытягивания кристаллических зерен металла поверхностного слоя в направлении резания происходит их дополнительное вытягивание под влиянием связанной с обрабатываемой поверхностью стружки по направлению схода сливной стружки, т. е. вверх. В этом случае может произойти полное переформирование кристаллических зерен поверхностного слоя (вытягивание в вертикальном и сжатие в горизонтальном направлениях), что приведет к появлению в направлениях скорости резания и подачи остаточных напряжений растяжения.
4.	Выделяющаяся в зоне резания теплота мгновенно нагревает тонкие поверхностные слои металла до высоких температур, что вызывает увеличение его удельного объема. Однако в разогретом слое не возникают внутренние напряжения в связи с тем, что модуль упругости металла снижается до минимума, а пластичность возрастает. После прекращения воздействия режущего инструмента происходит быстрое охлаждение металла поверхностного слоя, сопровождающееся сжатием; этому препятствуют нижележащие слои металла, оставшиеся холодными. В результате во внешних слоях металла развиваются остаточные напряжения растяжения, а в нижележащих слоях —уравновешивающие их напряжения сжатия.
5.	При обработке металлов, склонных к фазовым превращениям, нагрев зоны резания вызывает структурные превращения, связанные с объемными изменениями металла. В этом случае в слоях металла со структурой, имеющей больший удельный объем, развиваются напряжения сжатия, а в слоях со структурой менйшего удельного объема —остаточные напряжения растяжения. Например, если сталь с мартенситной структурой шлифуется засаленным кругом при недостаточном охлаждении или неправильном режиме, то происходит прижог, приводящий к образованию на отдельных участках структур троостита или сорбита, имеющих меньший удельный
217
объем, чем структура мартенсита. В этих отожженных слоях развиваются остаточные напряжения растяжения, а в смежных с ними слоях —уравновешивающие их напряжения сжатия.
Любая из вышеуказанных причин при обработке металлов резанием может преобладать над другими. При этом она будет определять величину и характер распределения остаточных напряжений. Однако если все названные причины достаточно сильно влияют на свойства поверхностного слоя, то окончательное распределение остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя приобретает весьма сложный характер.
Изменение видов и режимов обработки меняет характер напряженного поля в зоне резания и удельное значение теплоты в составе причин, влияющих на образование остаточных напряжений. В связи с этим изменяется как величина, так и знак остаточных напряжений металла поверхностного слоя.
В большинстве случаев изменение видов обработки и режимов резания, приводящих к увеличению влияния силового поля и повышению степени пластической деформации, вызывает рост остаточных напряжений сжатия и снижение растягивающих напряжений за исключением обработки пластичных металлов, когда повышение влияния силового поля может привести к усилению растягивающих и уменьшению сжимающих напряжений.
Изменение режимов резания и условий обработки, влекущее за собой повышение мгновенной температуры нагрева металла поверхностного слоя и усиливающее этим влияние теплового фактора (повышение скорости резания, увеличение засаливания абразивного круга при шлифовании, снижение теплопроводности обрабатываемого металла и режущего инструмента, увеличение длительности соприкосновения отдельных участков обрабатываемой поверхности с режущим инструментом, являющимся источником нагревания металла поверхностного слоя, ухудшение условий охлаждения и т. п.), обусловливает рост остаточных напряжений сжатия или превращения сжимающих остаточных напряжений в растягивающие.
Знак и глубина распространения остаточных напряжений, возникающих в результате фазовых превращений металла поверхностного слоя, определяются полнотой протекания фазовых превращений и соотношением удельных объемов структурных составляющих смежных слоев металла поверхностного слоя. При этом очень большое значение для формирования остаточных напряжений имеют химический состав металла и его способность к структурным изменениям, пластичность, упругость, теплопроводность и температуропроводность и другие механические и физические свойства обрабатываемого металла.
Точение. При точении остаточные напряжения возникают под влиянием одной из вышеуказанных причин или формируются в результате одновременного воздействия всех или части этих причин. Окончательная величина, знак, глубина распространения и характер эпюры остаточных напряжений поверхностного слоя после точения 218
Возникновение в радиоэлектронной промышленности технологии сверхпрецизионной обработки меди, алюминия, никеля и других цветных металлов, обеспечивающей достижения точности порядка 0,1 мкм при шероховатости поверхности 0,01 мкм, делает необходимым рассмотрение процессов деформации металла на субмикроскопическом уровне. Указанные величины меньше размеров линий скольжения, примесей и кристаллов, поэтому размеры последних и дефекты структуры непосредственно влияют н? протекание процесса обработки и достигаемую точность. Так как размеры зерен карбидов в керамических инструментах достигают 0,2 мкм, последние не могут применяться при сверхпрецизионной обработке и заменяются инструментами из природных алмазов. Имеются данные, что при снятии алмазным резцом слоя толщиной до 1 мкм при скорости 130 мм/мин наблюдаются две формы хрупкого разрушения чистого алюминия: разрушение, связанное с чрезмерным переплетением дислокаций, и разрушение, связанное с деформацией сдвига. При этом характер разрушения существенно влияет на шероховатость обработанной поверхности.
В связи с тем что обработка резанием приводит к появлению в поверхностном слое большого количества дефектов структуры, резко снижающих прочность металлов, сверхпрецизионная обработка должна производиться при условиях, при которых напряжения среза распространяются в областях, меньших интервала дислокаций. Это позволяет сохранять бездефектную структуру обрабатываемого металла.
МИКРОСКОПИЧЕСКАЯ КАРТИНА ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ Линии и пачки скольжения. Пластическая деформация кристаллов, наблюдаемая под микроскопом, проявляется в форме сдвигов по кристаллографическим плоскостям (плоскостям сдвига), характеризующимся наиболее плотным распределением атомов.
Сдвиги в виде полос скольжения являются результатом нахождения большого числа одинаковых дислокаций в близко расположенных плоскостях скольжения (рис. 7.10). При деформировании линейные дислокации движутся по многочисленным параллельным линиям, образующим пачки скольжения.
В поликристаллах основным препятствием, перед которым накапливаются дислокации, являются границы зерен. В сплавах границы зерен второй фазы представляют настолько прочный барьер, что дислокации прорваться через него не могут, однако давление скопившихся дислокаций так искривляет граничный слой, что по ту сторону его может быть возбужден новый источник дислокаций. А1икроскопически это равносильно распространению сдвига в соседнем зерне.
В этом случае при малых степенях деформации в поликристаллах всегда имеются зерна совсем без линий скольжения, в то время как в других зернах таких линий уже много.
Скольжение в кристалле всегда сопровождается поворотом этого кристалла, в результате которого действующие плоскости и направ-
207
микротвердости металла поверхностного слоя с 6340 до 5400 МПа (с 650 до 550 кгс/мм2).
Увеличение подачи приводит к росту пластической деформации металла поверхностного слоя, вызываемой силовым полем, поэтому при обработке пластичных металлов, например жаропрочных сталей ЭИ766 (/) и ЭИ37Б (2) (рис. 7.19, а), у которых под действием напряженного поля стружки формируются растягивающие остаточные напряжения, увеличение подачи сопровождается ростом остаточных напряжений растяжения. Рост подачи при точении малопластичных материалов, например титанового сплава ВТ6 (рис. 7.19, б), вызывает
<9
а)
0", МПа(кгс/мм2)
h,MKM а^Па/кгс/мм2)
60
80
100
120
-392(-9ty-
-588(-60) -
—789(~80) -
-980(100) -г1П6(-12^
0,1 0,2 О,3б(мм/о6
Рис. 7.19
Влияние подачи на формирование остаточных напряжений при точении (по материалам П. Е. Дьяченко, Н. А. Подосе-новой, Г. А. Дерягина, Б. А. Кравченко)
789(80)
688(60)
392(90)
196(20)______________________
О 0,1	0,2 0,3s,мм/об
увеличение пластической деформации, остаточных напряжений сжатия (3) и глубины их проникновения в металл поверхностного слоя (*)
При обработке малопластичных закаленных материалов, например сталей ЗОХГСНА (5) и ЗОХГСА (6) (рис. 7.19, в), увеличение подачи приводит к значительному повышению температуры в зоне резания, что может вызвать появление тепловых растягивающих напряжений, снижающих общую величину остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое.
С уменьшением положительного переднего угла +у и увеличением отрицательного угла —у повышается пластическая деформация металла поверхностного слоя, а следовательно, и его удельный объем, что сопровождается возрастанием остаточных напряжений сжатия. При точении пластичных металлов остаточные напряжения растяжения снижаются, а при точении малопластичных материалов остаточные напряжения сжатия возрастают.
220
С усилением износа режущего инструмента возрастают трепне его задней поверхности об обработанную поверхность изделия и радиус округления режущей кромки, что приводит к увеличению пластической деформации металла поверхностного слоя и глубины ее распространения. В связи с этим при обработке пластичных материалов с затуплением режущего инструмента возрастают остаточные напряжения растяжения и глубина их распространения.
Затупление инструмента, обрабатывающего малопластичные материалы, приводит к увеличению сжимающих остаточных напряжений и глубины их проникновения в поверхностный слой.
Шлифование. Процесс шлифования протекает при необычно больших напряжениях, возникающих в тонком слое металла и стружке, снимаемой при обработке с высокой скоростью резания (в десятки раз превосходящей скорость резания металлическим и твердосплавным инструментом), и при высокой температуре в зоне резания, которая иногда приближается к температуре плавления обрабатываемого металла.
В этих условиях каждая из указанных ранее причин возникновения остаточных  напряжений поверхностного слоя может преобладать над другими, и тогда характер распределения, знак и величина остаточных напряжений поверхностного слоя после шлифования будут в основном зависеть от этой причины.
Изменение условий шлифования, влекущее за собой повышение температуры металла поверхностного слоя (ухудшение охлаждения, уменьшение теплопроводности обрабатываемого материала, увеличение частоты вращения круга, затупление, засаливание круга, повышение его твердости, увеличение глубины шлифования и подачи, снижение скорости вращения изделия), приводит к росту остаточных напряжений растяжения или снижению остаточных напряжений сжатия. И наоборот, снижение нагревания зоны шлифования и усиление силового воздействия абразивных зерен, вызывающее пластическую деформацию металла поверхностного слоя (увеличение глубины и подачи шлифования при хорошем отводе теплоты, использование мягких кругов и алмазных кругов с хорошим теплоотводом, рост частоты вращения изделия и снижение скорости вращения круга, применение выхаживания), способствуют уменьшению тепловых растягивающих и увеличению сжимающих остаточных напряжений.
Следует отметить, что при шлифовании металлов, склонных к фазовым превращениям, повышение нагрева шлифуемого изделия может привести к структурным изменениям, обусловливающим появление остаточных напряжений различного знака и в большинстве случаев снижающим эксплуатационные свойства металла поверхностного слоя.
Доводка. Почти все доводочные процессы осуществляются при сравнительно низких скоростях и незначительных давлениях, поэтому нагревание металла поверхностного слоя невелико и не может явиться причиной возникновения тепловых остаточных напряжений.
221
Вместе с тем при всех доводочных процессах происходят пластическая деформация и наклеп металла поверхностного слоя, которые особенно велики при переводе доводки из режима микрорезания в режим трения—полирования. В соответствии с этим при
доводке в тонком поверхностном слое обычно возникают остаточные напряжения сжатия, соизмеримые по своей величине с напряжениями, появляющимися при других видах механической обработки.
При суперфинишировании закаленной стали 45
Рис. 7.20
Остаточные напряжения при суперфинишировании закаленной стали:
1 — режим микрорезаиия; 2, 3 — режимы полирования
сжимающие остаточные на-пряжения достигают 844 МПа (86 кгс/мм2) и распространяются на глубине h = 0,005ч--т- 0,015 мм (рис. 7.20). При
этом перевод процесса суперфиниширования из режима микроре-
зания в режим полирования увеличивает остаточные напряжения сжатия с 234 до 844 МПа (с 24 до 86 кгс/мм2), т. е. более чем втрое.
Пластические деформации металла поверхностного слоя при
хонинговании стали также вызывают сжимающие остаточные напряжения, величина и глубина распространения которых близка по своим значениям к остаточным напряжениям при суперфинишировании.
§ Л4
ШЕРОХОВАТОСТЬ ПОВЕРХНОСТИ
НОРМИРОВАНИЕ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ
Поверхность, ограничивающая тело и отделяющая его от окружа-ющей среды, называется реальной поверхностью. Реальная поверхность детали образуется в процессе ее изготовления и в отличие от идеальной геометрической номинальной поверхности, изображаемой на чертежах, всегда имеет неровности различных формы и высоты в виде выступов и впадин с небольшими расстояниями между ними.
Шероховатость поверхности —это совокупность неровностей обработанной поверхности с относительно малыми шагами.
Шероховатость поверхности принято определять по ее профилю, который образуется в сечении этой поверхности плоскостью, перпендикулярной к номинальной поверхности. При этом профиль рассматривается на длине базовой линии, используемой для выделения неровностей и количественного определения их параметров.
При стандартизации шероховатости поверхности в основу принята система отсчета, в которой в качестве базовой линии служит 222
средняя линия профиля. Средняя линия профиля —это базовая линия, имеющая форму номинального профиля и проведенная так, что в пределах базовой длины I среднее квадратическое отклонение профиля до этой линии минимально.
Линия, эквидистантная средней линии и проходящая через высшую точку профиля в пределах базовой длины, называется линией выступов профиля. Линия, эквидистантная средней линии и проходящая через низшую точку профиля в пределах базовой длины, называется линией впадин профиля.
Расстояние между линией выступов профиля и линией впадин профиля в пределах базовой длины представляет собой наибольшую высоту неровностей профиля 7?тах.
I
Рис. 7.21
Профиль шероховатости и его характеристика
Высота выступа профиля урт —это расстояние от средней линии профиля до высшей точки выступа профиля.
Глубина впадины профиля yvm —это расстояние от средней линии профиля до низшей точки впадины профиля.
Неровность профиля —это выступ профиля и сопряженная с ним впадина профиля.
Шаг неровностей профиля —это длина отрезка средней линии профиля, содержащая выступ профиля и сопряженную с ним впадину профиля (рис. 7.21). Средний шаг неровностей профиля Sm — это среднее значение шага неровностей профиля по средней линии в пределах .базовой длины.
Шагом местных выступов называется длина отрезка средней линии между проекциями на нее двух наивысших точек соседних местных выступов профиля. Средним шагом S местных выступов профиля называется среднее значение шага местных выступов в пределах базовой длины.
Для оценки шероховатости поверхности в машиностроении получил большое распространение высотный критерий Rz. Высота неровностей профиля по десяти точкам Rz представляет собой сумму средних абсолютных значений высот пяти наибольших выступов профиля и глубин пяти наибольших впадин профиля в пределах базовой длины I, т. е.
6	6
У] Урт1 + УI I У«т11
Rz = ^-------,	(7.1)
223
где ypml —высота i го наибольшего выступа профиля; уит1 — глубина i-й наибольшей впадины профиля.
Столь же большое значение в машиностроении при оценке шероховатости поверхности имеет и критерий Ra. Среднее арифметическое отклонение Ra профиля —есть среднее арифметическое абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины I, т. е.
i
Ra = 4-J|^|dx	(7.2)
О
или приближенно
^а = 4-Ё|^1,
(7-3)
где у — отклонение профиля, определяемое расстоянием между любой точкой профиля и средней линией; I —базовая длина; п — число выбранных точек на базовой длине.
Среднее квадратическое отклонение профиля. Rg —среднее квадратическое значение отклонений профиля в' пределах базовой длины	___________
= ~т\уЧх)<1х	(7.4)
Q
или приближенно
(7-5)
При определении значений Ra и Rq непосредственным измерением на соответствующих приборах их величина устанавливается в пределах длины оценки, включающей несколько базовых длин. По ИСО 3274 базовая длина численно равна отсечке шага прибора.
Численные значения шероховатости, установленные по критериям Ra и Rq, близки между собой и определяются соотношениями:

На многие эксплуатационные свойства поверхности (износостойкость, контактную жесткость и др.) большое влияние оказывает фактическая поверхность соприкосновения детали с сопряженными деталями изделия. Эта величина с известным приближением может быть частично отражена критерием т]р.
Опорная длина т]р профиля определяется суммой длин отрезков в пределах базовой длины, отсекаемых на заданном уровне в материале профиля линией, эквидистантной средней линии.
Для сопоставления размеров опорных поверхностей, обработанных различными методами, удобно пользоваться понятием относи-224
тельной опорной длины tp профиля, определяемой отношением опорной длины профиля к базовой длине, т. е.
^=4=42^ m
1=^1
где bi —длина отрезка, отсекаемого в материале выступа профиля; р —уровень сечения профиля, определяемый расстоянием между линией выступов профиля и линией, пересекающей профиль экви-
дистантно линии выступов профиля.
Опорная длина qp профиля и относительная опорная длина tp профиля устанавливаются на требуемом уровне сечения р профиля, который определяется расстоянием между линией выступов профиля и линией, пересекающей профиль экви-
Вид обработки поверхности и(или) Параметр (пораметры)	{Вруёиё дополнительные указания
\шероховатостипоГ0С12789-73 I
х	—/--------- Полка знака
^гзодая длина
~ Усладное обозначение
- -^иапра^ения нероВнхте^
77777^777777777777777.
Рис. 7.22
Структура обозначения шероховатости иа чертежах по ГОСТ 2309—73
дистантно линии выступов профиля; она выражается в процентах ОТ /?тах-
Изложенные понятия и терминология шероховатости поверхности, соответствующие действующему ГОСТ 2789—73 в измененной редакции 1980 г. и проекту международного стандарта ИСО 1980 г. (АМС 4287/1), иллюстрируются схемой профиля и его характерно! ;к на рис. 7.21.
а) 0,1
8т ОрдЗ 0,0б0/0ф 6^107/0,25
Рис. 7.23
Частные случаи обозначения шероховатости
Для указания шероховатости поверхности на чертежах используют условные обозначения (рис. 7.22 и 7.23, а) в соответствии с ГОСТ 2.309—73.
При этом среднее арифметическое отклонение указывают цифрой без дополнительного символа, например 0,5. Численные значения остальных параметров проставляют после соответствующих символов, например: Rz = 3,2; 7?max = 6,3; Sm = 0,63; 3 = 0,032; /Б0 — 70, т. e. относительная опорная длина tp профиля равна 70 % при уровне сечения профиля р = 50 %.
В тех случаях, когда на чертеже указывают только высоты неровностей Ra, Rz, средний шаг неровностей 3 и относитель-
8 Маталин А. А.
225
иую опорную длину tp профиля, для обозначения шероховатости применяют знак без полки.
Для обозначения шероховатости поверхности, вид обработки которой конструктором не устанавливается, служит знак, показанный на рис. 7.23, б. При обозначении шероховатости поверхности, которая должна быть образована удалением слоя материала (на-
пример, точением, фрезерованием, сверлением, шлифованием, полированием, травлением и т. п.), применяют знак, представленный на рис. 7.23, в. В обозначении шероховатости поверхности, которая должна быть образована без удаления слоя материала (например, литьем, ковкой, объемной штамповкой, прокатом, волочением и
т. п.), применяют знак, показанный на рис. 7.22, г. Этим же знаком
обозначают поверхности, не обрабатываемые по данному чертежу. Направление неровностей на обрабатываемой поверхности показы-
вают на чертежах с помощью условных обозначений, представлен-
ных в ГОСТ 2789 —73.
Для облегчения и удешевления внедрения в произвсдство систем стандартизации и контроля шероховатости поверх-
Таблица 7.1
Предпочтительные значения шероховатости, рекомендуемые для использования при конструировании и технологическом проектировании
Область применения	Значение мкм	Значение мкм
	0,025	
Отделочная	0,05	0,012
и доводоч-	0,1	0,025
ная	0,2	U,05
обработка	0,4	0,1
	0,8	0,2
	1,6	0,4
Чистовая	3,2	0,8
обработка	12,5	3,2
	25,0	6,3
Предвари-	50	12,5
тельная	100	25
(черновая)	200	50
обработка	400	100
ностей деталей машин, сокращения числа образцов и эталонов шероховатости и других средств контроля, упрощения подготовки кадров контролеров и рабочих, расширения применения типовых технологических процессов и стандартизованной технологической оснастки, во всех случаях конструирования машин, когда это допускается предъявляс иыми к ним функциональными требованиями, и при проектировании технологических процессов ое-комендуется выбирать значения параметров шероховатости из числа их предпочтительных значений, принятых ГОСТ 2789—73 в редакции 1980 г.
и приведенных в табл 7,1.
Необходимо отметить, что принятое в табл. 7.1 соотношение параметров R. — 4Ra является приблизительным и прн отдельных видах обработ ки может нарушаться. Это в первую очередь отно-
сится к случаям характеристики шероховатости чисто «вработан-ных поверхностей, имеющих Rz «• 6,3 мкм и Ra «з 1,25 мкм. Цля тонкообработанных поверхностей (тонкое шлифование, доводка и др.) соотношение Rz к Ra фактически приближается к пяти, поэтому реальная поверхность детали, обработанная по чертежу с Rz =
223
е= 0,4> окажется менее шероховатой, чем поверхность такой же детали, обработанная с Ra = 0,1 мкм, несмотря на то, что в табт. 7.1 оба эти значения параметров Rz и Ra располагаются рядом как соответствующие друг другу. Для достижения шероховатости ре-альной поверхности Rz — 0,4 мкм, пользуясь мерительной аппаратурой, основанной на критерии Ra, бы то бы необходимо проставлять в чертеже значение Ra = 0,08 мкм, не входяшее в ряд предпочтительных значений Ra, указанных в табл. 7.1, но предусмотренное ГОСТом в числе допустимых.
Сложносав явлений, сопровождающих процесс обработки, и многообразие факторов, влияющих на образование неровностей, обусловливают отступление их формы от геометрически правильной. При этом форда и размеры неровностей, измеренные в различных направлениях, оказываются различными. Высота неровностей поверхности, измеренная в направлении движения резания вдоль обработочных рисок (при строгании на продольно-строгальном станке в направлении возвратно-поступательного движения стола, при точении и круглом шлифовании по винтовой линии), характеризует продольную шероховатость поверхности. Высота неровностей, измеренная перпендикулярно к движению резания (по направлению поперечной подачи при строгании, точении, шлифовании и т. п.), характеризует поперечную шероховатость поверхности.
В связи с тем что такие факторы, как геометрическая форма режущего инструмента и велгчина подачи, отражаются только на поперечной шероховатости, ее размеры обычно в два-три раза превышают продольную шероховатость. Вследствие этого оценку степени шероховатости поверхности заготовки обычно производят на основании измерения поперечной шероховатости. При некоторых видах обработки (торцовое фрезерование, доводка) продольная и поперечная шероховатости имеют одинаковые значения и могут измеряться в обоих направлениях.
При определенных условиях обработки, в частности при возникновении вибраций или высокой степени пластической деформации поверхностного слоя металла, продольная шероховатость может резко возрасти и превысить поперечную шероховатость. В подобных случаях оценку шероховатости поверхности следует производить на основании измерений не поперечной, а продольной шероховатости.
На шероховатость поверхности, обработанной резанием, оказывает влияние большое число факторов, связанных с условиями изготовления заготовки. В частности, высота и форма неровностей, а также характер расположения и направление обработочных рисок зависят от принятого вида и режима обработки; условий охлаждения и смазки инструмента; химического состава и микроструктуры обрабатываемого материала; конструкции, геометрии и стойкости режущего инструмента; типа и состояния используемого оборудования, вспомогательного инструмента и приспособлений.
Все многообразные факторы, обусловливающие шероховатость обработанной поверхности, можно объединить в три основные 8*	227
группы: причины, связанные с геометрией процесса резания; пластической и упругой деформациями обрабатываемого материала и возникновением вибраций режущего инструмента относительно обрабатываемой поверхности.
Процесс возникновения неровностей вследствие геометрических причин принято трактовать как копирование на обрабатываемой поверхжвсти траектории движения и формы режущих лезвий. С геометрической точки зрения величина, форма и взаимное расположение неровностей (направление обработочных рисок) определяются формой и состоянием режущих лезвий и теми элементами режима резания, которые влияют на изменение траектории движения режущих лезвий относительно обрабатываемой поверхности. В различных условиях обработки пластические и упругие деформации обрабатываемого материала и вибрация искажают геометрически правильную форму неровностей, нарушают их закономерное распределение на поверхности и в значительной степени увеличивают их высоту. В ряде случаев пластические деформации и вибрации вызывают появление продольной шероховатости, достигающей значительных размеров, и увеличение поперечной шероховатости.
Преобладающее влияние на формирование шероховатости поверхности оказывает (как правило) одна из трех указанных групп причин, которая и определяет характер и величину шероховатости. Однако в отдельных случаях шероховатость возникает в результате одновременного и почти равнозначного воздействия всех указанных причин и вследствие этого не имеет четко выраженных закономерностей.
ВОЗНИКНОВЕНИЕ НЕРОВНОСТЕЙ ПРИ ТОЧЕНИИ
Геометрические причины образования шероховатости. За один оборот заготовки резец перемещается на величину подачи Si (мм/об) и переходит из положения 2 в положение 1 (рис. 7.24, а). При этом на обработанной поверхности остается некоторая часть металла, не снятая резцом и образующая остаточный гребешок т. Совершенно очевидно, что величина и форма неровностей поверхности, состоящих из остаточных гребешков, определяются подачей Sx и формой режущего инструмента. Например, при уменьшении подачи до значения S2 высота Rz неровностей снижается до Rz (рис. 7.24, б). Изменение углов <р и q>x в плане оказывает влияние не только на высоту, но и на форму неровностей поверхности (рис. 7.24, в). При использовании резцов с закругленной вершиной достаточно большого радиуса гх форма неровностей становится соответственно также закругленной (рис. 7.24, г). При этом увеличение радиуса закругления вершины резца до г2 приводит к уменьшению высоты Rz шероховатости (рис. 7.24, 5).
Исходя из приведенных соображений геометрического характера, проф. В. Л. Чебышев предложил определять высоту Rz неровностей при обработке резцом в зависимости от подачи S и радиуса г закругления вершины резца по формуле
Rz = S78r.	(7.7)
228
В процессе образования неровностей при точении резцами с небольшими радиусами закругления и большими подачами участвует не только криволинейная часть режущей кромки резца, образованная радиусом г закругления, но и прямолинейный участок режущего лезвия (рис. 7.24, е). В этом случае в формулу В. Л. Чебышева включают значения главных углов <р и <pi в плане.
При изготовлении режущего инструмента и при его затуплении на режущем лезвии инструмента образуются неровности и зазубрины, определенным образом увеличивающие шероховатость обрабатываемой поверхности. Влияние неровностей лезвия инструмента на шероховатость обработанной поверхности особенно существенно при тонком точении с малыми подачами, когда неровности лезвия соизмеримы с величиной Rz, найденной по формуле (7.7). В отдельных случаях полного копирования профиля зазубрин лезвия на обрабатываемую поверхность может и не произойти, так как пластически деформированный металл стружки и обрабатываемой поверхности иногда затекает в зазубрины режущей кромки, частично затормаживаясь в их плоскости, и делает их как бы более мелкими. В результате этого рост высоты шероховатости обработанной
поверхности в некоторых случаях отстает от увеличения глубины зазубрин режущего лезвия. Однако и в этих случаях влияние зазубрин лезвия на шероховатость обрабатываемой поверхности может быть значительным.
По имеющимся практическим данным при затуплении режущего инструмента и появлении на нем зазубрин шероховатость обработанной поверхности возрастает при точении —на 50—60 %, фрезеровании цилиндрическими фрезами—на 100—115 %, фрезеровании торцовыми фрезами—на 35—45 %, сверлении—на 30—40 % и развертывании—на 20—30 %. Указанное увеличение шероховатости обрабатываемой поверхности при затуплении режущего инструмента связано не только с геометрическим влиянием зазубрин, возникающих на режущем лезвии, но и с возрастанием радиуса округления лезвия. Увеличение радиуса округления лезвия повышает степень пластической деформации металла поверхностного слоя, что приводит к росту шероховатости поверхности. Для устра-
229
1960 2940 3470	3920Н,МПа
Рис. 8.5 Влияние наклепа иа изиос стальных валиков (В. С. Рысцова)
На рис. 8.5 показано изменение износа валиков из стали У8 при их трении — скольжении с чугунными колодками со смазкой в зависимости от степени наклепа валиков после шлифования, выраженного микротвердостью поверхностного слоя. График иллюстрирует значительное уменьшение износа с увеличением степени наклепа.
Положительное влияние наклепа на износостойкость трущихся поверхностей проявляется только до определенной степени первоначального наклепа. Если при предварительной обработке трущейся поверхности степень пластической деформации поверхностного слоя превосходит определенное для данного металла значение, то в металле начинается процесс его разрыхления (разрывы междуатомных связей по плоскостям скольжения и субмикроскопические нарушения сплошности металла), происходящий одновременно с продолжающимся процессом упрочнения. Это явление называется перенаклепом.
При дальнейшем увеличении нагружения металла переупрочненные и охрупченные зоны металла отслаиваются от его основной массы; начинаются шелушение и ускоренный износ металла. Таким образом, перенаклеп металла вызывает резкое падание износостойкости, а также снижает усталостную прочность деталей и некоторые другие эксплуатационные свойства.
В связи с этим упрочнение металла поверхностного слоя в процессе механической обработки деталей или при специальных упрочняющих операциях (обкатке роликами и шариками, дробеструйном наклепе и др.) следует производить при строго регламентированном достигаемом наклепе, чтобы предотвратить возникновение пе-ренаклепа.
Усталостная прочность деталей машин в значительной степени зависит от упрочнения (наклепа) металла поверхностного слоя. Упрочнение металла до определенных пределов уменьшает амплитуду циклической пластической деформации и предотвратить возникновение субмикроскопических нарушений сплошности (разрыхления), порождающих развитие усталостных трещин.
Кроме того, создание упрочненного наклепанного поверхностного слоя препятствует росту существующих и возникновению новых усталостных трещин. Такой слой может значительно нейтрализовать вредное влияние наружных дефектов и шероховатости поверхности.
Исследование деталей с твердым упрочненным слоем после циклических нагружений, из-за которых в металле возникают напряжения, превышающие предел усталости, показывает, что усталостные трещины зарождаются не в упрочненном слое детали, а в глубине ее. Образование подобных трещин под упрочненным
242
частиц нароста уже не могут оказать достаточного сопротивления силам трения стекающей стружки, поэтому частицы металла застойной зоны уносятся вместе со стружкой. Вследствие этого нарост уменьшается и в интервале скоростей 60—70 м/мин полностью исчезает. При последующем повышении скорости резания наросты на резце не образуются.
Шероховатость обработанной поверхности в значительной степени связана с процессами образования стружки и в первую очередь с явлениями нароста. В зоне малых скоростей (v = 2-j-5 м/мин),
Рис. тле
Влияние скорости резания иа образование иароста и шероховатость обработанной поверхности при точении стали 45 (П. Е. Дьяченко)
при которых нарост не образуется, размеры неровностей обработанной поверхности незначительны. С увеличением скорости размеры неровностей поверхности возрастают, достигая при 20 —40 м/мин своего наивысшего значения, многократно превосходящего расчетную величину.
Дальнейшее повышение скорости резания уменьшает нарост и понижает высоту шероховатости обработанной поверхности.
В зоне скоростей (п > 70 м/мин), при которых нарост не образуется, шероховатость поверхности оказывается минимальной. В этом случае дальнейшее увеличение скорости резания лишь незначительно снижает высоту шероховатости поверхности. Связь процессов образования шероховатости обрабатываемой поверхности и нароста на резце со скоростью резания показана на рис. 7.25.
231
При высокой скорости резания глубина пластически деформированного поверхностного слоя незначительна и размеры шероховатости приближаются к расчетным.
В случае обработки хрупких материалов (например, чугуна) наряду со срезом отдельных часгиц металла происходят их сдвиг и беспорядочное хрупкое откалывание от основной массы металла, увеличивающее шероховатость поверхности. Повышение скорости резания уменьшает откалывание частиц, и обрабатываемая поверхность становится более гладкой.
При чистовой обработке металлов, когда состояние и точность обработанной поверхности имеют решающее значение, совершенно естественно стремление вести обработку в зоне скоростей, при которых нароста на инструменты не образуется, а шероховатость поверхности получается наименьшей. Такой зоной для конструкционных углеродистых сталей (как это отмечалось выше) является 5 м/мин v 70 м/мин.
Подача — второй элемент режима резания, оказывающий большое влияние на шероховатость, что связано не только с указанными выше геометрическими причинами, но и в значительной степени обусловлено пластическими и упругими деформациями в поверхностном слое.
Резание металлов осуществляется инструментом, лезвие которого всегда имеет некоторый радиус округления р. При внедрении резца в обрабатываемый материал происходит отделение стружки по плоскости скалывания А—А (рис. 7.26). При этом часть металла, лежащего ниже точки В, не срезается, а подминается округленной частью резца, подвергаясь упругой и пластической деформации.
После прохождения резца несрезанный слой металла частично упруго восстанавливается, вызывая трение по задней поверхности резца. Разница степени упругого восстановления металла выступов и впадин неровностей обычно увеличивает высоту шероховатости.
Наименьшая толщина /т1п срезаемого слоя (при превышении ^т|п происходит резание, а при снижении —только пластическое и упругое смятие металла округленной поверхностью лезвия инструмента) зависит от радиуса округления режущего лезвия, свойств обрабатываемого материала и скорости резания (при сокращении радиуса округления р и увеличении скорости резания Zmln уменьшается).
При тонком точении резцом, имеющим радиус закругления вершины г, теоретически образуется стружка переменной толщины с очень тонкой вершиной (рис. 7.27). Часть этой вершины АВ с толщиной, меньшей /га1п, практически не может быть срезана и подминается закругленной вершиной лезвия. Фактическое срезание ме-232
талла происходит только на участке ВС, на котором толщина стружки превышает /пип-
После прохода резца деформированный участок металла (на рис. 7.27, а показан двойной штриховкой) частично упруго восстанавливается, увеличивая высоту неровностей Rz — s2/(8r), определяе-офакт
мую геометрическими причинами, до Rz •
Рис. 7.27
Образование шероховатости при точении с малыми подачами (а) и возрастание шероховатости с уменьшением толщины сэружки (<7)
Очевидно, что фактическая высота неровностей 7?*акт равна расчетной s2/(8r) только при относительно большой подаче, при которой /?2 = s2/(8r) больше или равна /min.
При работе с небольшими подачами (s < 0,05ч-0,06 мм/об при г = 0,84-1,0 мм) уменьшение подачи не только не снижает высоту
шероховатости, но и при определенных условиях может даже вызвать ее возрастание в связи с уменьшением толщины стружки и увеличением толщины упруго деформируемого участка АВ (рис. 7.27, б).
В этом случае при снижении подачи в несколько раз увеличивается удельная сила резания, а также повышаются степень пластической деформации металла обрабатываемой поверхности и стружки, усадка стружки, нарост на
Рис. 7.28
Зависимость шероховатости от подачи (П. Е. Дьяченко)
резце и, в конечном счете, высота шеро-
ховатости. Точение с подачей меньше 0,12 мм/об не приводит к снижению высоты шероховатости по закону параболы (рис. 7.28, кривая 5), как этого следовало бы ожидать согласно теоретической формуле (7.7), а вызывает лишь незначительное уменьшение шероховатости (кривая 2) или даже ее увеличение (кривая 1). В заштрихованной области происходит увеличение шероховатости в связи с упругими и пластическими деформациями металла.
1аким образом, даже при минимальной подаче нельзя полностью устранить шероховатость обработанной поверхности, которая в этом
233
случае в значительной мере определяется наименьшей толщиной срезаемого слоя и пластическими деформациями обрабатываемого материала.
На рис. 7.28 показано, что при чистовом и тонком точении углеродистых сталей изменение подачи от 0,02 до 0,1 мм/об мало влияет на высоту шероховатости. Неровности поверхности в этом случае образуются не столько под влиянием геометрических причин, сколько в результате упругих и пластических деформаций, скорости резания и радиуса округления режущего лезвия резца. В связи с этим для обеспечения наименьшей шероховатости обработанной поверхности и высокой производительности чистовое точение углеродистых конструкционных сталей следует проводить при s — 0,054-0,12 мм/об.
При точении цветных сплавов хорошо доведенными или алмазными резцами /т1п уменьшается, поэтому для снижения высоты шероховатости может оказаться полезным уменьшение подачи до 0,01—0,02 мм/об.
Наблюдениями многочисленных исследователей установлено, что при обычном точении влияние глубины резания на шероховатость ничтожно и практически может не приниматься во внимание. При уменьшении глубины резания до 0,02 мм (вследствие наличия на режущей кромке резца округления) нормальное резание прекращается и резец, отжимаясь от изделия, начинает скользить по обрабатываемой поверхности, периодически врезаясь в нее и вырывая отдельные участки. Поэтому глубину резания при работе обычными резцами не следует брать слишком малой.
При глубине резания меньше подачи глубина оказывает геометрическое влияние на высоту шероховатости. В этом случае уменьшение глубины резания снижает высоту шероховатости.
Обрабатываемый материал и его структура оказывает существенное влияние на характер и высоту неровностей обработанной поверхности. Более вязкие и пластичные материалы (например, малоуглеродистая сталь), склонные к пластическим деформациям, дают при их обработке резанием грубые и шероховатые поверхности.
Шероховатость обработанной поверхности уменьшается при переходе от структуры ферритоперлита к трооститу и трооститомар-тенситу. Феррит, являющийся мягкой, вязкой и легко деформирующейся составляющей структуры стали, при обработке резанием имеет склонность к образованию неровностей поверхности. С точки зрения получения поверхности с минимальной шероховатостью оказываются чрезвычайно неблагоприятными структуры с неоднородными зернами, в частности структуры так называемого глобулярного перлита, состоящие из круглых зерен цементита, рассеянных по основной массе феррита.
Значительно меньшая шероховатость образуется при обработке стали после нормализации и отпуска, имеющей однородную и мелкозернистую структуру. В связи с этим для получения при механической обработке минимальной шероховатости рекомендуется предварительная нормализация углеродистой стали при 850—870 °C или (в случае необходимости облегчить условия резания и повысить 234
стойкость режущего инструмента) отжиг при 900 °C в течение 5 ч.
Установлено, что с увеличением твердости обрабатываемого материала высота шероховатости снижается. При этом одновременно уменьшается зависимость высоты шероховатости от скорости резания и при твердости 500 НВ влияние скорости почти отсутствует. На основании этих исследований рекомендуется производить предварительную термообработку конструкционных сталей, повышающую их твердость.
Влияние скорости резания и твердости на высоту шероховатости углеродистых сталей заметно проявляется лишь в зоне сравнительно низких скоростей резания. При превышении скорости резания 140 м/мин зависимость высоты шероховатости от твердости заметно ослабевает. Это объясняется тем, что при скорости резания 140 м/мин и выше температура обрабатываемого материала достигает 840 °C. При такой температуре механического свойства сталей различной начальной твердости в большой степени выравниваются, в результате чего высота шероховатости стабилизируется и практически не зависит от изменения скорости резания.
Снижение вязкости обрабатываемого материала за счет наклепа поверхностного слоя также способствует уменьшению шероховатости обработанной поверхности. На практике это явление наблюдается при развертывании отверстий после зенкерования, создающего заметный наклеп обработанной поверхности. Если припуск, оставленный на развертывание, меньше глубины наклепанного зенкеро-ванием более хрупкого поверхностного слоя, то в результате развертывания получается поверхность с минимальными неровностями.
Изменение химического состава обрабатываемого материала, отражающееся на его вязкости, в свою очередь влияет на размеры шероховатости обработанной поверхности заготовок как из цветных сплавов, так и из сталей.
Применение смазочно-охлаждающих жидкостей, предотвращающих схватывание, уменьшающих трение и облегчающих процесс стружкообразования, способствует снижению высоты неровностей поверхности.
Вибрации режущего инструмента, станка и заготовки. В процессе резания возникают вынужденные колебания системы станок—заготовка—инструмент, вызываемые действием внешних сил, и автоколебания системы, появление которых связано с периодическим упрочнением (наклепом) срезаемого слоя металла и изменением условий трения или резания. Вынужденные колебания системы обусловливаются дефектами отдельных механизмов станка (неточностью зубчатых передач, плохой балансировкой вращающихся частей, неудовлетворительной сшивкой ремня, чрезмерными зазорами в подшипниках и др.), являющимися причиной неравномерности его движения.
Вибрация лезвия режущего инструмента относительно обрабатываемой поверхности являются дополнительным источником увеличения шероховатости обработанной поверхности. Очевидно, что
235
высота шероховатости поверхности будет тем значительнее, чем больше удвоенная амплитуда колебания лезвия инструмента относительно обрабатываемой поверхности.
Большое влияние на шероховатость обработанной поверхности оказывает состояние станка. Новые и хорошо отрегулированные станки, установленные на массивных фундаментах или на виброопорах, хорошо изолированные от вибраций другого оборудования, обеспечивает минимальную шероховатость.
Очень важным является создание достаточно высокой жесткости приспособлений для крепления заготовок и вспомогательных инструментов для установки режущего инструмента. Например, в случае обработки заготовок на револьверном станке из прутка с закреплением последнего в трехкулачковом самоцентрирующем патроне
Рис. 7.29
Влияние податливости технологической системы алмазно-расточного станка: а — на амплитуду колебаний (/) и износ инструмента (2); б — иа шероховатость поверхности заготовки из стали 20Х, обработанной при о = 100 м/мин; & — 0,14 мм/об
высота шероховатости обработанной поверхности на 30—40 % выше, чем при зажатии прутка в нормальном цанговом патроне, имеющем большую поверхность соприкосновения с заготовкой и создающем поэтому большую ее устойчивость. Чтобы предотвратить появление вибрации свободного конца прутка (имеющего обычно диаметр на 3—4 мм меньше диаметра отверстия шпинделя), применяют специальное центрирующее кольцо, укрепляемое в левом конце шпинделя. Такие вибрации легко передаются на обрабатываемую поверхность и вызывают увеличение шероховатости на 70—120 %.
Особенно сказываются вибрации технологической системы на шероховатость обработанной поверхности при тонком растачивании на алмазно-расточных станках. При этом с уменьшением жесткости и увеличением податливости со технологической системы амплитуда колебаний вершины резца возрастает, вызывая соответствующее повышение износа Uo резца (рис. 7.29, а). Увеличение амплитуд колебаний с ростом податливости технологической системы и увеличением глубины резания, а следовательно, и увеличением ширины среза сопровождается возрастанием шероховатости обработанной поверхности (рис. 7.29, б).
При работе на алмазно-расточных станках жесткость технологической системы уменьшается с ростом отношения длины L рас-236
точной борштанги к ее диаметру D. При снижении жесткости борштанги и увеличении LID шероховатость обработанной поверхности возрастает. Например, при расточке отверстий 0 30 мм в деталях из стали 20Х на алмазно-расточном станке 2706 при v = t= 250 м/мин, s = 0,02 мм/об, t = 0,1 мм и L/D = 2 шероховатость поверхности Ra ~ 0.8 мкм; при LID = 4 значение Ra = 1,35 мкм и при L/D «= 5 значение Rn = 1,6 мкм.
Неравномерность припуска, снимаемого при тонком растачивании, обусловливающая колебание сил резания, также может являться причиной вибрации технологической системы, увеличивающих шероховатость обработанной поверхности.
Формирование шероховатости поверхности при различных видах механической обработки (фрезеровании, сверлении, шлифовании, доводке и др.) подчиняется в общем тем же закономерностям, что и при точении. Характер этих закономерностей видоизменяется в зависимости от изменения соотношения влияния геометрических причин, пластических деформаций и вибраций, связанных с особенностями отдельных видов механической обработки.
Глава 8
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
5 Ы
ВЛИЯНИЕ ШЕРОХОВАТОСТИ И СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО слоя НА ЭНСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ДЕТАЛЕЙ МАШИН
ВЛИЯНИЕ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ
Трение^ и износ деталей в значительной степени связаны с высотой и формой неровностей поверхности и направлением штрихов обработки.
В начальный период работы трущихся поверхностей их контакт происходит по вершинам неровностей. В результате этого фактическая поверхность соприкосновения составляет лишь небольшой процент от расчетной, поэтому в местах фактического контакта по вершинам неровностей возникают большие давления, часто превышающие предел текучести и даже предел прочности трущихся металлов.
Под действием этих давлений при неподвижных поверхностях в точках контакта происходят упругое сжатие и пластическая деформация смятия неровностей, а при взаимном перемещении поверхностей — срез, отламывание и пластический сдвиг вершин неровностей, приводящие к интенсивному начальному износу тру-
237
поверхности их контакта, а
Рис. 8.1 Зависимость износа от высоты неровностей поверхности (П. Е, Дьяченко)
Графики износа (рис. 8.1)
щихся деталей и увеличению зазоров трущейся пары. Повышенному начальному износу в некоторых случаях способствуют возникновение в точках контакта высоких мгновенных температур и срыв окисной пленки, покрывающей металлы, что сопровождается молекулярным сцеплением трущихся металлов и образованием узлов схватывания.
При работе деталей в легких и средних условиях высота неровностей в период начального износа трущихся поверхностей уменьшается на 65—75 %, что приводит к увеличению фактической [едовательно, к снижению фактического давления.
Во время начального износа, протекающего в период приработки, происходит изменение размеров и формы неровностей, а также направления обработочных рисок. При этом высота неровностей уменьшается или увеличивается до некоторого оптимального значения, которое различно для разных условий трения. Если оптимальную для данных условий трения высоту неровностей удается создать в процессе механической обработки, то в процессе износа она не изменяется, а время приработки и износ оказываются наименьшими.
показывают, что при оптимальной
высоте неровностей (точки и 02) начальный износ металла является наименьшим. В более тяжелых условиях работы кривая 2 износа смещается вправо и вверх, а точки оптимальной шероховатости — вправо в сторону увеличения высоты неровностей.
Увеличение высоты неровностей по сравнению с оптимальным значением повышает износ за счет возрастания механического зацепления, скалывания и среза неровностей поверхности. Уменьшение высоты неровностей против оптимального значения приводит к резкому возрастанию износа в связи с возникновением молекулярного сцепления и заедания плотно соприкасающихся поверхностей повышенной гладкости, этому способствуют выдавливание смазки и плохая смачиваемость смазкой зеркально-чистых поверхностей.
Задачей конструктора, проектирующего новые машины, является назначение шероховатости трущихся поверхностей, соответствующей ее оптимальному значению, при котором износ и коэффициент трения при данных условиях изнашивания являются наименьшими.
На рис. 8.2, б представлены формы неровностей двух образцов, имеющих одинаковые размеры опорной длины профиля т]р, а на рис. 8.2, а — кривые износа этих образцов. Приведенные данные показывают, что в условиях проведенного опыта тонкие и много-238
ВЛИЯНИЕ
ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ДЕТАЛЕЙ МАШИН
Износостойкость деталей машин (как показывают материалы различных исследований) во многих случаях можно повысить путем простого изменения вида обработки или даже режима резания или геометрии режущего инструмента. Например, при назначении оптимальной глубины шлифования стали У8, равной 0,025 мм, началь-
Т а б л и ц а 8.2
Износ плоских чугунных деталей за 72 ч испытаний при трении со смазкой
Вид обработки	Шероховатость мкм	Относительный износ, %	
		р = 1,2 МПа	СО С 2> СЧ U
Строгание Фрезерование Шлифование Накатка шариками	2,1 1,8 1,6 1.0	100 71 55 24	100 62 58 29
Рис. 8.14
Влияние глубины шлифования валика из стали 45 с «заГ == 47 м/мнн и продольной подачей $ = 1000 мм/мин на его износ (/ н 2) и износ, сопряженной с ннм втулки из СЧ 21-40 (3)
ный износ детали уменьшается при прочих равных условиях на 17—33 %, при назначении оптимальной глубины шлифования стали 45, равной 0,015 мм, начальный износ валиков снижается на 32—60 %, а сопряженных с ними чугунных втулок — на 50—60 % (рис. 8.14).
Рис. 8.15
Износ втулок нз закаленной стали, обработанных шлифованием (/), доводкой свободным абразивом (2) и хонингованием (3)
V, нг/ммг 0.02 0.01 0
/?г« gg| УОЛ |
Результаты исследований показывают (табл. 8.2), что износостойкость плоских деталей из чугуна СЧ 21-40 в условиях трения — скольжения со смазкой при возвратно-поступательном движении изменяется в зависимости от вида их обработки в три-четыре раза.
Диаграмма износа (рис. 8.15) втулок из закаленной стали 40Х 04ОН7 х 40 мм за 10 ч трения с чугунным валом (СЧ 21-40), вращающимся со скоростью 1 м'с и воздействующим на втулку с давлением 0,32 МПа (3,3 кгс/см2) при смазке веретенным маслом, показывает, что в некоторых случаях совершенно одинаковые по своей точности и шероховатости поверхности деталей машин, изготовлен-
251
высота неровностей 2RZ соизмерима с полем допуска на изготовление детали. Это означает, что в период начального износа поверхностей дополнительный зазор в соединении может достигнуть значения допуска на изготовление детали и точность соединения будет полностью нарушена. Вместо требуемого чертежом соединения седьмого квалитета точности фактически возникает соединение восьмого или девятого, нарушается характер посадок и т. п.
Для предотвращения этого необходимо во всех случаях ответственных сопряжений, от которых требуется длительное сохранение установленной конструктором точности, вести обработку деталей при достижении минимальной шероховатости трущихся поверхностей.
При этом рекомендуется устанавливать необходимую высоту шероховатости в зависимости от требуемой точности проектируемого сопряжения посредством расчета по формулам:
при диаметре сопряжения свыше 50 мм
= (0,104-0,15) 7;	(8.1)
при диаметре сопряжения от 18 до 50 мм
Rz = (0,154-0,20) 7;	(8.2)
при диаметре сопряжения менее 18 мм
Rz = (0,20—0,25) 7.	(8.3)
В этих формулах поле допуска 7 детали и высота неровностей Rz выражены в микрометрах.
Прочность прессовых соединений непосредственно связана с шероховатостью сопряженных поверхностей. С увеличением высоты неровностей сопряжений поверхностей прочность прессовых соединений снижается. Например, прочность прессового соединения ступицы вагонного колеса с осью при высоте неровностей 36,5 мкм оказалась на 40 % ниже прочности такого же соединения с высотой неровностей 18 мкм (несмотря на то, что натяг во втором соединении был на 15 % меньше).
Усталостная прочность деталей сильно зависит от шероховатости их поверхностей. Наличие на поверхности детали, работающей в условиях циклической и знакопеременной нагрузок, отдельных дефектов и неровностей способствует концентрации напряжений, которые могут превысить предел прочности металла. В этом случае поверхностные дефекты и обработочные риски играют роль очагов возникновения субмикроскопических нарушений сплошности металла поверхностного слоя и его разрыхления, являющихся первопричиной образования усталостных трещин.
Экспериментальные графики рис. 8.3 показывают, что при увеличении параметра шероховатости отожженой стали 45 с Rz = 3,2 до Rz = 75 предел ее выносливости снижается с 285 до 200 МПа, т. е. на 30 %. Особенно резко снижается предел выносливости при увеличении шероховатости наиболее гладких поверхностей.
240
На рис. 8.4 показано влияние направления неровностей на предел выносливости стали при изгибе. Из диаграммы видно, что при продольном направлении неровностей циклическая прочность при изгибе стали 2X13 на 10—15 % выше, чем при поперечном расположении неровностей. Эта закономерность проявляется при различных видах обработки.
Рис. 8.3
Зависимость предела выносливости от высоты неровностей
Рис. 8.4
Влияние направления штрихов обработки на предел выносливости прн нзгнбе плоских деталей из стали 2X13i
1 — направление рнсок поперек детали; 2 — направление рисок вдоль детали
Высота шероховатости, направление штрихов обработки, форма и шаг неровностей, размеры опорной поверхности и другие геометрические характеристики микрорельефа поверхности оказывают влияние и на другие важные эксплуатационные свойства деталей машин и приборов, т. е. в частности на их прочность при ударной нагрузке, контактную жесткость, коррозионную стойкость, отражательную способность, коэффициент теплоотдачи, газовую эрозию.
ВЛИЯНИЕ
ДЕФОРМАЦИОННОГО УПРОЧНЕНИЯ (НАКЛЕПА) МЕТАЛЛА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
Износостойкость деталей. Повышению износостойкости деталей в большинстве случаев способствует предварительное упрочнение металла поверхностного слоя, которое уменьшает смятие и истирание поверхностей при наличии их непосредственного контакта, и взаимное внедрение поверхностных слоев, возникающее при их механическом и молекулярном взаимодействии: упрочнение увеличивает диффузию кислорода воздуха в металл поверхностного слоя, создавая в нем твердые химические соединения FeO, Fe2O3 и Fe8O4, характерные для окислительного износа, протекающего с наименьшей интенсивностью, а также препятствует развитию совместной пластической деформации металлов трущихся деталей, вызывающей холодную сварку — схватывание, которая является наиболее интенсивным видом износа.
241
нения влияния зазубрин и притупления режущего лезвия рекомендуются тщательная (желательно алмазная) доводка инструментов и своевременная их переточка.
Приведенные выше сведения о геометрических причинах возникновения неровностей при точении дают основание сделать следующие выводы.
1.	Увеличение подачи главного <р и вспомогательного ад углов резца в плане приводит к росту высоты неровностей. При чистовой обточке целесообразно пользоваться проходными резцами с малыми значениями углов <р и ад, не следует без особой необходимости применять подрезные резцы.
2.	Возрастание радиуса закругления вершины резца снижает высоту шероховатости поверхности.
3.	Понижение шероховатости режущих поверхностей инструмента посредством тщательной (желательно алмазной) доводки устраняет влияние неровностей режущего лезвия на обрабатываемую поверхность. Наряду с уменьшением шероховатости обрабатываемой поверхности доводка заметно повышает стойкость режущего инструмента, а следовательно, и экономичность его использования.
Пластические и упругие деформации металла поверхностного слоя. При обработке резанием пластичных материалов металл поверхностного слоя претерпевает пластическую деформацию, в результате которой значительно изменяются размеры и форма неровностей обработанной поверхности (обычно шероховатость при этом увеличивается).
При обработке хрупких металлов наблюдается вырывание отдельных частиц металла, что также ведет к увеличению высоты и изменению формы неровностей.
Скорость резания является одним из наиболее существенных факторов, влияющих на развитие пластических деформаций при точении. Малые скорости резания углеродистых конструкционных сталей (стали 30, 40, 50) порядка v = 1 м/мин приводят к сравнительно небольшому повышению температуры и способствуют образованию элементной стружки. При этом отделение стружки происходит легко и без заметных деформаций верхнего слоя обработанной поверхности. Неровности на обработанной поверхности незначительны.
С увеличением скорости резания до 40 м/мин в процессе образования стружки выделяется большое количество теплоты, которая способствует пластическому течению отделяемого металла вдоль передней и задней поверхностей резца. В некоторый момент под действием усилий, прижимающих слои металла к передней поверхности резца, и высокой температуры слои металла привариваются к передней (и отчасти задней) поверхности, образуя нарост. При скорости резания 20—40 м/мин нарост наиболее велик и устойчив.
При дальнейшем повышении скорости резания количество теплоты, выделяемой в процессе стружкообразования, увеличивается. При этом нарост нагревается быстрее остальной части зоны деформации, частично разупрочняется и силы сцепления отдельных 230
слоем и их дальнейшее увеличение происходят при более высоких напряжениях и их большем числе циклов нагружения, чем в условиях отсутствия наклепа.
Влияние перечисленных причин приводит к заметному повышению усталостной прочности деталей машин в результате упрочнения металла их поверхностного слоя (рис. 8.6).
Результаты многочисленных исследований показывают, что при наклепе металла поверхностного слоя повышение циклической прочности деталей машин, работающих в условиях нормальной комнатной температуры, может достигнуть 25—30 %. При наклепе металла точением и полированием предел выносливости повышается на 20—25 % за счет наклепа и на 12—15 % возрастает благодаря снижению высоты шероховатости при переходе от точения к полированию.
Рис. 8.6
Влияние глубины (а) и степени (<7) наклепа, созданного точением, на предел выносливости стали 45
Влияние наклепа на коррозионную стойкость. Пластическая деформация и наклеп поверхностного слоя металла протекают в различно ориентированных зернах неодинакового состава с разной интенсивностью; ферритные зерна деформируются интенсивнее перлитных. Это вызывает неравномерное повышение энергии и различное изменение электродного потенциала. Более наклепанные ферритные зерна становятся анодами, а менее наклепанные перлитные зерна — катодами. По тем же причинам оказывается различным и искажение атомной решетки в разных кристаллических зернах.
В результате пластической деформации поликристаллического металла в нем создаются микронеоднородности, способствующие возникновению большого количества коррозионных микроэлементов. Наиболее активными участками металла во взаимодействии с внешними средами являются зоны плоскостей сдвигов и места выходов дислокаций на поверхность. В этих зонах убыстряется адсорбция и развиваются коррозионные и диффузионные процессы. В результате этого холоднодеформированная мягкая сталь может поглотить в 100 раз больше водорода, чем отожженная.
Механическая обработка, вызывающая наклеп поверхностного слоя и изменение шероховатости поверхности, оказывает значительное влияние на коррозионную стойкость металла. По данным
243
проведенных исследований коэффициент самодиффузии никеля жаропрочной стали после электрополирования, когда наклепанный слой полностью устранен, при 700 °C составляет 10"14 см2/с, а после шлифования — 130-10‘14 см2/с. В табл. 8.1 приводятся данные о потере в массе образцов вследствие коррозии за 30 суток пребывания в воде.
Наклеп и остаточные напряжения поверхностного слоя могут стать одной из причин коррозионного растрескивания стали при ее длительном статическом нагружении в коррозионных средах. Снятие наклепа отжигом устраняет в этих случаях и коррозионное растрескивание.
Следует однако отметить, что при определенных условиях создания наклепа деталей накатыванием роликами или обдувкой дробью
происходит завальцовывание путей проникновения коррозионных сред внутрь металла через дефекты поверхности пластически деформируемым ферритом. Это может нейтрализовать развитие коррозионных процессов и вызываемое ими снижение усталостной прочности деталей.
Наклеп поверхностного слоя значительно снижает магнитные свойства магнитомягких материалов типа пермаллой, альфенол и др. В связи с этим при их механической обработке наклеп недопустим.
При рабочей температуре выше 700—800 °C наклеп поверх-
Таблица 8.1
Потери в массе стальных образцов от коррозии за 30 суток пребывания в воде
Внд обработки образца	Потеря в массе- 10"*, г/см*	
	Сталь 20Х	Сталь У8А закаленная
Шлифование	390	605
Точение	465	645
Силовое точение	510	650
Обработка роликами	524	715
ностного слоя во многих случаях оказывается вредным и снижает эксплуатационные качества деталей машин. Это происходит потому, что после пластической деформации металла поверхностного слоя при комнатной температуре увеличивается его удельный объем и уменьшается плотность; это обстоятельство способствует более быстрому протеканию диффузионных процессов при высокой температуре и выгоранию легирующих элементов и тем самым
ускоряет процессы, понижающие сопротивление металла отрыву.
Длительное воздействие высокой температуры на наклепанный металл быстро приводит к интенсивному разупрочнению его, что снижает общие эксплуатационные свойства деталей.
С увеличением степени и глубины наклепа жаропрочных сплавов их усталостная прочность при работе в среде с высокой температурой значительно снижается (рис. 8.7). При глубине наклепа 190 мкм, возникающего при черновом точении, число циклов 2V до разрушения сплава при 700 °C оказывается примерно вдвое ниже, чем после электрополирования, не вызывающего наклепа.
244
Различными экспериментами было показано существенное уменьшение длительной прочности жаропрочного сплава в зависимости
от глубины наклепа, возникающего при различных видах обработки. Из данных испытаний видно, что при значительном наклепе, создаваемом дробеструйной обработкой и обкаткой роликами, длительная прочность при сточасовых испытаниях снижается при 700 °C на 11,5— 27 %, а при 800 °C— на 15—45 %. Даже при чистовом точении наклеп поверхностного слоя уменьшает длительную прочность почти на 10 %.
Еще сильнее оказывается вредное влияние наклепа (как поверхностного, так и сплошного) на прочность жаропрочных сплавов при циклических нагревах (термоусталость). Как показывает диаграмма на рис. 8.8, при 700 °C время Т до разрушения образцов, наклепанных обдувкой дробью и обкаткой роликами, соответственно в два и шесть раз меньше, чем у образцов без наклепа (обработанных электропол и рован ием).
При испытаниях некоторых структурно-устойчивых сталей при температуре 600—700 °C не наблюдалось вредного влияния наклепа, а в некоторых случаях даже было обнаружено положительное воздействие наклепа на прочностные характеристики этих сталей. Следова-
Рис. 8.7
Влияние глубины наклепа при различных методах обработки жаропрочного сплава на число циклов N до его разрушения прн высоких температурах (по материалам С. Т. Кншкина, А. М. Сулимы н В. П. Строганова):
1 — электрополироваиие; 2 — полирование после шлифования; 3 — шлифование; 4 — полирование после точения; 5 — чистовое точение; 6 — полирование; 7 — черновое точение
тельно, вопрос о влиянии наклепа при умеренных рабочих температурах требует в отдельных случаях дополнительных уточне-
Рис. 8.8
Влияние наклепа при различных методах обработки жаропрочного сплава на время до его разрушения при испытании с циклическим нагревом (по данным С. Т. Кишкина, А. М. Сул нм ы, В. П. Строганова):
1 — электрополнрованне; 2 — шлифование; 3 — полирование после шлифования; 4 — полирова-Ни® после точения; 5 — точение; 6 — обдувка Дробью; 7 — обкатка роликамн
ний. Однако в целом влияние наклепа на прочность деталей машин, работающих при высоких рабочих температурах, является вредным.
245
ВЛИЯНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
Влияние остаточных напряжений поверхностного слоя на износ. При трении деталей в металле поверхностного слоя происходят значительные пластические деформации, вызывающие интенсивный наклеп и большие остаточные напряжения сжатия.
В самом начале процесса трения деталей остаточные напряжения, созданные в их поверхностном слое предшествующей обработкой и являющиеся по своей природе упругими, снимаются под действием протекающих пластических деформаций, не успевая оказать какого-либо влияния на процесс изнашивания.
Одновременно в поверхностном слое в результате трения возникают остаточные напряжения сжатия, которые зависят от условий трения и пластических свойств трущихся металлов и не зависят от величины и знака остаточных напряжений, созданных предшествующей обработкой и существовавших в поверхностном слое до начала трения.
В связи с этим величина и знак остаточных напряжений поверхностного слоя, созданных предшествующей обработкой, не оказывают влияния на скорость и величину износа при трении скольжения.
Этот вывод относится только к остаточным напряжениям поверхностного слоя и нормальным условиям трения скольжения в режиме окислительного износа.
Напряженное состояние всего сечения детали (например, растягивающие внутренние напряжения в стенках втулки, напрессованной на другую деталь, растягивающие внутренние напряжения в упруговогнутой пластинке) может оказать свое воздействие на характер и интенсивность износа. Возможным является и влияние напряженного состояния при изнашивании в условиях питтинга, при котором большое значение имеют явления усталости металла.
Усталостная прочность деталей очень сильно зависит от величины, знака и глубины распространения остаточных напряжений поверхностного слоя. Многочисленными исследованиями установлено, что при наличии в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия предел выносливости детали повышается, а при наличии остаточных напряжений растяжения — снижается, причем остаточные напряжения сжатия в большей мере повышают предел выносливости, чем снижают его такие же по величине остаточные напряжения растяжения. Для сталей повышенной твердости повышение предела усталости благодаря действию сжимающих напряжений достигает БО %, а снижение его под действием растягивающих — 30 %.
Влияние остаточных напряжений на предел выносливости стали особенно велико, когда разница в прочности стали при растяжении и сжатии большая. В связи с этим предел выносливости твердых сталей зависит от величины и знака остаточных напряжений особенно сильно, в то время как у мягких и пластичных сталей эта зависимость проявляется в меньшей степени.
График зависимости предела выносливости металлов и сплавов ВТЗ-1 от величины и знака остаточных напряжений, созданных 246
при шлифовании, показанный на рис. 8.9, свидетельствует о том, что между пределом выносливости и остаточными напряжениями
поверхностного слоя существует быть выражена соотношением ВИДа о_1 = Л-Воост, (8.4) где a_i — предел выносливости металла после его шлифования; ооСТ _ остаточные напряжения поверхностного слоя, возникшие в результате шлифования, с учетом их знака; А и В — постоянные величины.
Аналогичные соотношения были получены и для других материалов и видов обработки. При
прямая связь, которая может
Влияние остаточных напряжений на усталостную прочность деталей из сплава ВТЗ-1
этом эксперименты проводились
при комнатных температурах, поэтому выводы не могут относиться к условиям работы деталей в зоне высоких температур. При нагревании деталей, имеющих в поверхностном слое остаточные напряжения, происходит релаксация напряжений и их влияние на предел выносливости ослабевает.
Влияние структурных изменений металла поверхностного слоя. Теплота, выделяющаяся в зоне резания при различных методах механической обработки в определенных условиях (напряженные
в-,,МПя(кгс/тг)
470 (4В) 430 (44) 332(40) 353(33) 314(32)
1
Рис. 8.10
Влияние шлифовочного прнжога на износ стальных образцов:
1 — с г.рнжогом; 2 — без прнжога
2
О 1	2	3	4	3	$
Число цикло! ныружоний К-10*
Рнс. 8.11
Влияние шлифовочного прнжога на предел выносливости стали 40Х:
I — без прнжога; 2 — о лрижогом
режимы резания, притупление режущего инструмента и засаливание абразивного круга чрезмерно высокой твердости, недостаточное охлаждение и др.), вызывает структурные изменения металла поверхностного слоя. При обработке металлов, воспринимающих закалку, может произойти частичная закалка металла поверхностного слоя, а при обработке закаленных металлов — отпуск различной степени.
Структурные изменения металла при его механической обработке и, в частности, прижоги шлифуемой поверхности являются серьезной причиной снижения долговечности деталей машин.
247
Участки мягкого отпущенного металла имеют пониженную износостойкость. На рис. 8.10 показано, что детали из закаленной стали 40Х, имеющие прижог поверхностного слоя, изнашиваются значительно интенсивнее аналогичных деталей без прижога.
Обычно в зонах отпущенного металла, имеющего меньший удельный объем, развиваются остаточные напряжения растяжения, снижающие усталостную прочность деталей. При этом на границах участков измененной структуры часто образуются шлифовочные трещины, являющиеся очагами усталостных разрушений деталей.
Предел выносливости образцов с прижогом (рис. 8.11) значительно ниже предела выносливости образцов, изготовленных из закаленной стали 40Х без прижога.
§ 8.2
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
ПОНЯТИЕ О ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ
Значительное влияние состояния поверхностного слоя деталей машин на их основные эксплуатационные свойства, а также вида и режимов механической обработки на отдельные характеристики состояния поверхностного слоя (высоту шероховатости, форму и направление неровностей, микротвердость поверхностного слоя, глубину распространения наклепа, величину, знак и глубину распространения остаточных напряжений) предопределяет зависимость эксплуатационных качеств деталей от технологии их механической обработки.
Ранее было показано, что важные эксплуатационные качества деталей (долговечность, плавность перемещений, длительность сохранения заданных конструктором точности и посадки, прочность, коррозионная стойкость, магнитные свойства, способность к теплопередаче и теплоизлучению и др.) зависят не только от конструктивных форм и точности изготовления деталей, состава и структуры их материала и его механических качеств, но и от отдельных характеристик состояния поверхностного слоя, сформировавшихся в металле в процессе механической обработки.
Изменение видов и режимов механической обработки оказывает воздействие на отдельные характеристики состояния поверхностного слоя, а соответственно и на эксплуатационные свойства деталей. В этом смысле уместно говорить о существовании технологической наследственности состояния поверхностного слоя и определяемых им эксплуатационных свойств деталей от отдельных технологических операций и всего технологического процесса их изготовления.
Технологической наследственностью называется перенесение на готовое изделие в процессе его обработки погрешностей, механических и физико-химических свойств исходной заготовки или свойств и погрешностей, сформировавшихся у заготовки на отдельных операциях изготовления изделия.
248
Технологическая наследственность зависит не только от вида и режимов обработки, примененных на чистовой операции. Она может проявиться в изменении свойств или потере точности формы готовой детали при ее эксплуатации в результате воздействия тех или иных элементов состояния поверхностного слоя, созданных в поверхностном слое детали при ее черновой обработке.
Например, при шлифовании грубо обточенной и закаленной д0 62—63 HRC3 заготовки из стали ШХ15СГ шлифовальный круг создает на участках выступов неровностей поверхности тепловые удары, вызывающие мгновенный нагрев и структурные изменения металла поверхностного слоя. При этом во время чистовых режимов
шлифования на участках обработанной поверхности, расположенных под выступами неровностей токарной i,m обработки, возникают зоны отпущенного металла пониженной твердости (рис.
8.12, б), а при напряженных режимах шлифования — зоны твердого металла, претерпевшего вторичную закалку
0,09
0,08
0,12
0,16
0.20
7880
8150
880
8920
8200
8920
1600
7000
1б20	17900
8700-^, I
8920 8920
Н,НПя
ОМ 8620
8750
8920
(рис. 8.12, а).
В обоих случаях на границах разных структур развиваются значительные оста-
Рис. 8.12
Изменение мнкротвердости поверхности грубо обточенной и закаленной стали при шлифовании (П. И. Ящерицин)
°) %
" л
~~]	17680

точные напряжения, снижающие долговечность деталей, а иногда вызывающие появление шлифовочных трещин.
При шлифовании с охлаждением влияния тепловых ударов ослабевает. Для проверки воздействия тепловых ударов, вызванных неровностями поверхности заготовки, на эксплуатационные свойства детали были проведены испытания образцов из закаленной до 62 HRCa стали ШХ15 на контактную усталостную прочность.
До закалки часть образцов была обточена с шероховатостью Rz = 160, часть — с Rz = 20 и часть образцов — прошлифована с Rz = 1,6. После закалки все образцы были прошлифованы с одинаковым режимом до Rz = 0,8 и подвергнуты испытаниям обкаткой в течение 12 ч профильным диском при нагрузке 1470 Н (150 кгс). После испытаний на поверхности образцов, имевших до закалки параметр шероховатости Rz = 160, было обнаружено большое число крупных раковин (питтингов). Образцы, обработанные перед закалкой с Rz = 20, имели после испытаний лишь незначительное число мелких раковин, а предварительно шлифованные образцы не имели после испытаний никаких дефектов поверхности.
Влияние предыдущей обработки наблюдается в случаях коробления лопаток паровых турбин во время их эксплуатации при вы-соких температурах, вызывающих релаксацию остаточных напряжений, возникших при фрезеровании, строгании или ручном
249
0-1
МПа (кгс/мм2) 235(2$,
216(22)\
196(20)
тав)
151(16)
131(1$
30
40v,m/muh
20
Рис. 8.13
Номограмма режимов точения, обеспечивающих заданную долговечность деталей
шлифовании лопаток и не устраненных заключительной полировкой.
Проявление технологической наследственности может привести как к улучшению, так и к ухудшению эксплуатационных свойств деталей машин. Для целесообразного использования явления технологической наследственности необходимо установить непосредственные связи между эксплуатационными характеристиками деталей (усталостной прочностью, износостойкостью и др.) и режимами обработки заготовок при основных методах их изготовления.
Во многих случаях такие связи можно выявить с помощью математических зависимостей вида: состояние поверхностного слоя — функция режима резания, эксплуатационная характеристика — функция состояния поверхностного слоя с их последующим совместным решением и установлением прямой связи (эксплуатационная характеристика — функция режима резания). Последнюю зависимость можно непосредственно использовать для расчетов режимов резания, обеспечива
ющих достижение заданных конструктором эксплуатационных характеристик.
Примером подобного решения может служить зависимость усталостной прочности жаропрочной стали ХН35ВТЮ (ЭИ787) от режимов точения резцами ВК6М, выраженная номограммой (рис. 8.13) для определения режимов точения, обеспечивающих достижение заданной долговечности деталей из указанного сплава. В некоторых случаях установление математических зависимостей режим обработки — характеристика состояния поверхностного слоя — эксплуатационные свойства осложняется тем, что изменение режима обработки может одновременно вызывать улучшение эксплуатационных свойств и их ухудшение (например, при увеличении глубины шлифования возрастает высота неровностей, что приводит к увеличению износа и одновременно повышается степень наклепа, уменьшающая износ). В подобных случаях зависимости эксплуатационных свойств от режимов резания приобретают экстремальный характер, определяя оптимальные режимы обработки наименьшими (для износа) или наивысшими (для усталостной прочности) значениями эксплуатационных свойств.
В подобных случаях для использования технологической наследственности (с целью повышения долговечности деталей или улучшения других эксплуатационных характеристик путем назначения рациональных видов и режимов обработки заготовок) необходимо экспериментально устанавливать прямые зависимости между отдельными эксплуатационными характеристиками и режимами или видами их обработки.
250
численные неровности обеспечивают большую износоустойчивость, чем крупные неровности большого шага. Через 160 000 двойных ходов износ поверхности с неровностями большого шага достиг 60 мкм, в то время как износ поверхности с тонкими неровностями малого шага был меньше 40 мкм.
Влияние направления неровностей на износостойкость различно в разных условиях трения и при разных размерах неровностей. Эксперименты проф. П. Е. Дьяченко показывают, что при жидкостном трении и малой высоте неровностей направление рисок значения не имеет, однако при увеличении шероховатости более выгодным оказывается параллельное направление рисок и скорости движения.
ГИС. o.z
Кривые износа (а) поверхностей с различной формой неровностей <<Г) прн одинаковой высоте неровностей К2
При граничном трении поверхностей с малыми неровностями и параллельным направлением неровностей и скорости движения возникающие схватывание и износ оказываются больше, чем при перпендикулярном направлении. Для поверхностей с большей шероховатостью, когда схватывания не происходит, параллельное направление рисок дает наименьший износ.
Коэффициент трения тоже связан с направлением неровностей и их высотой. При сочетании поверхностей, имеющих одинаковое направление неровностей, и при их перпендикулярном направлении к движению коэффициент трения достигает наибольшего значения. При перпендикулярном направлении неровностей трущихся поверхностей или при их беспорядочном расположении, что наблюдается при суперфинишировании, коэффициент трения минимален.
Точность сопряжения, установленная чертежом и определяемая зазором в соединении, в значительной степени зависит от шероховатости соприкасающихся поверхностей.
Ранее указывалось, что в период начального износа высота неровностей может уменьшиться на 65—75 %. При малых размерах деталей н шероховатости поверхностей с = З-j-lO мкм двойная
239
ные по одному и тому же чертежу, а также принятые и оцененные техническим контролем как совершенно равноценные, могут иметь резко различные эксплуатационные качества в зависимости от технологической наследственности, приобретенной деталями в процессе их изготовления. Диаграмма показывает, что износ втулок, обработанных шлифованием, с Rz = 0,8 при трении с суперфини-шированным валом оказывается наименьшим. Износ втулок с той же шероховатостью, обработанных хонингованием, оказался на 30 % больше, а обработанных доводкой свободным абразивом — почти в 3 раза больше, чем после обработки шлифованием.
Рис. 8.16
Зависимость предела выносливости стали 2X13 от режимов фрезерования:
I — прн v = 60 м/мнн, sz — 0,05 мм/зуб; 2 — при v = 60 м/мин, sz = 0,16 мм/зуб; 3 — при v = 38 м/мнн, s? = 0,05 мм/зуб; 4 — прн v =» = 19 м/мнн, sz — 0,12 мм/зуб
При трении сопряжений деталей, обработанных с Rz = 0,4, наибольший износ по-прежнему имеют отверстия, доведенные свободным абразивом, а наиболее износостойкими оказываются хонингованные втулки. Наиболее износостойкими являются хонингованные отверстия и при их обработке с Rz = 0,2.
Усталостная прочность деталей машин в значительной степени зависит от видов и режимов обработки деталей. Например, при фрезеровании нержавеющей стали 2X13 цилиндрическими фрезами изменение режимов фрезерования приводит к увеличению предела усталости с 314 до 378 МПа (с 32 до 38 кгс/мм2), т. е. на 18 % (рис. 8.16). При этом переход от метода попутного (П) фрезерования к встречному (В) с неизменным режимом фрезерования повышает предел усталостной прочности на 8—10 %.
Применение различной технологии обработки деталей из нержавеющей стали 2X13 изменяет усталостную прочность с 206 до 363 МПа (с 21 до 37 кгс/мм2) (см. рис. 8.4).
Кривые, приведенные на рис. 8.17, а показывают, что при точении высокопрочной стали с помощью изменения геометрии резца, в частности путем изменения его переднего угла, усталостную прочность можно повысить на 36—63 %.
Увеличение скорости резания при точении высокопрочной стали, воспринимающей закалку, ведет к повышению усталостной прочности на 12—30 % (рис. 8.17, б).
Увеличение подачи при точении стали 50 в связи с ее упрочнением при росте нагрузки повышает усталостную прочность, а при точении закаленной стали ЗОХГСНА в связи с ее отпуском снижает усталостную прочность (8.17, в).
Особенно сильно влияют режимы обработки на усталостную и на длительную прочность тигановых сплавов и других труднообрабатываемых материалов.
252
Приведенные результаты различных экспериментальных исследований убеждают в возможности установления зависимостей долговечности деталей от видов и режимов их обработки и определения видов обработки, наиболее благоприятных для повышения долговечности деталей машин.
Однако необходимо подчеркнуть, что нахождение подобных зависимостей и особенно их математическая обработка и обобщение требуют о-т исследователя тщательного изучения физической сущности явлений, сопровождающих данный вид обработки, и законе-
С.,МПа(кгс/нм7)
-50-Z5 О W/’
Рис. 8.17
Влияние геометрии резца при о = 100 м/мнн, s = 0,1 мм/об (а); скорости резания при у = —50°; s = 0,1 мм/об (б) и подачи (в) иа предел выносливости сталей: / — сталь ЗОХГСНА; 2 — сталь ЗОХГСА; 3 — сталь 50
мерностей изменения при разных условиях выполнения технологи-ческой операции. На основании такого анализа во всех случаях следует определять границы, в пределах которых установленные математические зависимости остаются справедливыми.
Подобные зависимости для режимов резания, при которых изменяется сущность явлений, происходящих в металле поверхностного слоя обрабатываемой детали, а следовательно, и его состояние, могут стать неправильными, и при их использовании могут возникнуть большие ошибки.
Глава 9
ПРИПУСКИ НА МЕХАНИЧЕСКУЮ ОБРАБОТКУ
5 9.1
КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИПУСКОВ НА ОБРАБОТКУ
Чертеж исходной заготовки отличается от чертежа готовой детали прежде всего тем, что на всех обрабатываемых поверхностях предусматриваются припуски, соответственно изменяющие размеры, а иногда и форму зоготовок. Форма отдельных поверхностей исходных заготовок1 определяется с учетом технологии получения заго-операцией^ГОС^З^К)	эаготовка пеРед первой технологической
253
товок, требующей в ряде случаев определенных уклонов, радиусов закругления и т. п.
Общим припуском на обработку называется слой материала, удаляемый с поверхности исходной заготовки в процессе механической обработки с целью получения готовой детали.
Установление правильных размеров припусков на обработку является ответственной технико-экономической задачей. Назначение чрезмерно больших припусков приводит к непроизводительным потерям материала, превращаемого в стружку; к увеличению трудоемкости механической обработки; к повышению расхода режущего инструмента и электрической энергии; к увеличению потребности в оборудовании и рабочей силе. При этом затрудняется построение операций на настроенных станках, снижается точность обработки в связи с увеличением упругих отжатий в технологической системе и усложняется применение приспособлений.
Назначение недостаточно больших припусков не обеспечивает удаления дефектных слоев материала и достижения требуемой точности и шероховатости обрабатываемых поверхностей, а также вызывает повышение требований к точности исходных заготовок и приводит к их удорожанию, затрудняет разметку и выверку положения заготовок на станках при обработке по методу пробных ходов и увеличивает опасность появления брака.
Операционный припуск — это слой материала, удаляемый с заготовки при выполнении одной технологической операции (ГОСТ 3.1109—82). Операционный припуск равняется сумме промежуточных припусков, т. е. припусков на отдельные переходы, входящие в данную операцию.
Как показывает схема расположения припусков и допусков на обработку вала за две операции (точение и шлифование), приведенная на рис. 9.1, общий номинальный (расчетный) припуск на обработку ZH0M, определяемый разностью номинальных размеров исходной заготовки и готовой детали (после шлифования), т. е.
ZHOM = Onex, заг	^дет>	(®-1)
равняется сумме номинальных (расчетных) припусков на отдельные операции, т. е. п
^ноМ = ном,	(9-2)
i=l
где Zt пом — номинальный (расчетный) припуск на отдельную операцию; п — общее количество операций обработки детали.
Из схемы видно, что следует различать следующие припуски!
минимальный операционный Z™” — разность наименьшего предельного размера до обработки и наибольшего предельного размера после обработки на данной операции;
максимальный операционный Zr"ax — разность наибольшего предельного размера до обработки и наименьшего предельного размера после обработки на данной операции. Из схемы на рис. 9.1 254
следует, что максимальный припуск на обработку поверхности определяется формулой
zrnax = zrnin + TAii + TAi,	(9.3)
где TAt.t и TAt — допуски для предшествующей и последующей операции или переходов.
Допуск припуска — это разность между максимальным и минимальным значениями размера припуска.
Рис. 9.1
Схема расположения припусков и допусков на токарную обработку и шлифование вала (номинальные диаметры: исходной заготовки вала — £>исХ> эаГ» вала после течения f>TOK, после шлифования — Лщл; номинальные припуски: общий орипуск на обработку — ^ном* операционные припуски иа точение — и на шлиФование - 2“лм
Номинальный (расчетный) операционный припуск ZiH0M— разность номинальных размеров изделия до и после обработки на данной операции. В соответствии со схемой, приведенной на рис. 9.1,
Zi ном = Z/ ном ТAj—i.	(9.4)
При определении номинального припуска для первой операции обработки заготовки, имеющей симметричное расположение поля допуска, в формулу (9.4) вводится не все поле допуска, а только его минусовая часть, расположенная от номинала «в тело», т. е. нижнее отклонение EJ. Из формулы (9.4) следует, что номинальный операционный припуск складывается из наименьшего припуска на выполнение данной операции Z™‘“ и допуска на обработку заготовки на предшествующей операции ТА^.
При ориентировочных расчетах припусков для механической обработки можно принять соотношение
ном — (2 — 4)TAi_i.	(9.5)
Формулы (9.4) и (9.5) показывают, что всякое расширение допусков для предыдущих операций неизбежно вызывает увеличение припуска на обработку для последующих, что обычно ведет к сни-женгпо производительности последних операций. И наоборот, при уменьшении припуска на обработку для данной операции приходится соответственно повышать точность, а следовательно, и стоимость предшествующей обработки.
255
Рис. 9.2
Составляющие элементы операционного припуска
В связи с этим при назначении операционных припусков и допусков должны быть решены следующие технико-экономические задачи:
операционный припуск должен быть не слишком большим, чтобы не удорожать данной операции снятием чрезмерно большого слоя металла, и не слишком малым, чтобы не удорожать предшествующей операции вследствие повышения ее точности;
операционный допуск должен быть достаточно широким, чтобы облегчить выполнение данной операции, и не слишком широким, чтобы не вызывать чрезмерного увеличения припуска для последующей операции и соответствующего ее удорожания.
Наименьший операционный припуск складывается из отдельных элементов, связанных с различными погрешностями, т. е.

(9-6)
где Zj —слой металла, который необходимо удалить с заготовки1 для устранения неровностей после предыдущей обработки t и дефектного слоя металла ht_v, возникшего в связи с обезуглероживанием, коррозией, перенаклепом, образованием трещин и т. п. (рис. 9.2, а);
для тел вращения
Z1 = 2(Rz._l+hi_ly,	(9.7)
при односторонней обработке
(9.8)
Zt — слой металла, удаляемый для компенсации погрешности формы и пространственных отклонений в расположении обрабатываемых поверхностей относительно базовых поверхностей исходной заготовки (рис. 9.2, б) (несоосность и непараллельность обрабатываемых поверхностей и линий центровых отверстий, неперпендику-лярность торцовых поверхностей к линии центровых отверстий и т. д.);
Z3 — слой металла, удаляемый для компенсации погрешности установки заготовки (рис. 9.2, в); необходимо отметить, что в дан
1 Под заготовкой здесь понимается не только исходная, но и заготовка, поступающая на данную операцию после предшествующей механической обработки.
256
ном случае погрешность установки рассматривается не с точки зрения ее влияния на формирование суммарной погрешности размеров, выдерживаемых при обработке [см. формулу (2.41)], а с позиций ее влияния на смещения и повороты обрабатываемых поверхностей при установке и закреплении заготовки; компенсация этих пространственных смещений и поворотов требует увеличения минимального припуска на величину Z3.
Составляющая Z3 должна учитываться даже при обработке заготовок методом пробных ходов в случае установки единичных заготовок.
Величины составляющих Z2 и Z3 определяются аналитически или экспериментально применительно к конкретным условиям установки обрабатываемых заготовок и характеру погрешностей исходных заготовок.
В связи с тем что эти составляющие выражаются векторами, так как имеют не только величину, но и направление, они суммируются геометрически, т. е. по правилу квадратного корня [см. формулу (9.6)]. При этом в соответствии с правилами приближенных вычислений [10] можно принять:
lZZf Z| 0,96Z2 + 0,4Z3 при Z2>Z3;	(9.9)
Vzl + Z%~ 0,4Z2 + 0,96Z3 при Z2<Z3;	(9.10)
/Z5 + Z| Z2 при Z2 > Z3;	(9.11)
/zi + Zi^Z3 при Z2«Z3.	(9.12)
Если погрешности формы и расположения обрабатываемых поверхностей исходной заготовки (или заготовки после предшествующей операции ее обработки), в свою очередь, формируются из нескольких составляющих (например, если заготовка имеет одновременно и кривизну, и овальность) или погрешность установки на рассматриваемой операции складывается из нескольких составляющих различной ориентации в пространстве (например, биение обрабатываемой поверхности определяется величиной биения шпинделя станка и величиной зазора между поверхностями посадочного ртверстия заготовки и оправки), то значения каждой из составляющих Za и Z3 припуска, в свою очередь, определяются геометрическим суммированием соответствующих элементарных погрешностей, т. е. Z2 = VZ'i + Z2, Z3 = 1^Z3 + Z3’, с использованием формул (9.9) - (9.12).
При обработке плоскостей, направление векторов погрешностей которых совпадает, их суммирование производится арифметически ПО], и тогда формула для расчета наименьшего припуска приобретает вид
гГп=г, + г2-|-г3.	(9.13)
Во всех случаях установленный минимальный припуск не должен быть меньше минимальной толщины стружки, которую может 9 Маталин А. А.	947
снять режущий инструмент. Ранее в гл. 2 указывалось, что при точении с большей скоростью резания остро заточенным резцом возможно снятие слоя металла порядка 0,005 мм, однако после непродолжительной работы резца в связи с его притуплением и увеличением радиуса округления его режущей кромки эта величина возрастает до 0,02—0,05 мм. При других видах обработки она может быть еще больше (фрезерование) или меньше (абразивная обработка).
Значения составляющих RZi , Лг_1( Z2 и Z3 приводятся в справочной литературе. При этом слой металла Z2, компенсирующий погрешности, связанные с пространственными отклонениями, часто обозначается через р, слой металла Z3, компенсирующий погрешности установки заготовки, обозначается через е, а толщина дефектного слоя h — через Т.
Приведенные формулы для расчета припусков показывают, что припуск по существу является компенсатором всех погрешностей предыдущей обработки заготовки и погрешностей, связанных с выполнением данной технологической операции.
Изложенный расчетно-аналитический метод определения припусков и промежуточных размеров применяется при проектировании исходных заготовок и отдельных операций технологического процесса крупносерийного и массового производства, а также процессов обработки крупных и особенно ответственных деталей серийного и даже единичного производства.
В условиях единичного и серийного производств обычных деталей средней точности для определения общих и операционных припусков часто пользуются нормативными таблицами припусков, разработанными различными авторами на основе изучения обширного практического опыта промышленности и рекомендуемыми для некоторых средних условий производства. Пользование подобными таблицами ускоряет процесс проектирования и является во многих случаях допустимым, однако при этом необходим анализ соответствия конкретных условий проектируемого процесса условиям, для которых были составлены нормативные таблицы. Во всех случаях отклонений условий проектируемого процесса от стандартных, для которых составлены таблицы, необходимо уточнять рекомендуемые припуски соответствующим расчетом. Так, например, при шлифовании длинных и тонких планок после их закалки, вызывающей коробление заготовок, невозможно ограничиваться установлением припуска на шлифование по табличным данным, а следует дополнительно определить расчетным или экспериментальным путем ожидаемую величину Z2, связанную с прогибом заготовок при закалке. Затем следует убедиться, что установленный по таблицам припуск на шлифование достаточен для компенсации коробления и при необходимости соответственно увеличить припуск.
При пользовании нормативными таблицами припусков следует также учитывать, что они дают значения номинальных, а не минимальных припусков и включают в себя значения допусков пред-258
шествующих операций [см. формулу (9.4) J. В связи с этим при изменении точности предшествующей обработки должна измениться и величина табличного припуска.
S 9 2
расчет припусков на механическую обработку
Расчет припусков на обработку начинается с определения по формулам (9.6) и (9.13) минимального припуска Z™n, удаление которого с обрабатываемой поверхности технически необходимо для обеспечения требуемой точности й эксплуатационных качеств детали.
При этом (в конкретных условиях проектируемой операции) формулы для расчета минимальных припусков могут несколько видоизменяться. Так, например, при обработке отверстий самонаправ-ляющимися инструментами (протягивание, развертывание, хонингование, доводка, калибрование) и при бесцентровом шлифовании в формуле (9.6) составляющая Z3 = 0 и Zmin = ZT 4- Z2; при суперфинишировании и полировании валов и отверстий, когда не ставится задача повышения точности заготовок, а ограничиваются требованиями уменьшения шероховатости поверхности и устранения дефектов поверхностного слоя, принимают Z2 = 0; Z3 = 0 и Zmin = = Zt = 2 (7?z; t + /i,-i); при чистовом шлифовании деталей после их предварительной механической или термической обработки и при отсутствии дефектного слоя, когда ставится задача достижения минимальной шероховатости, принимается ТА^ = 0 и Zx = •= и т. п.
После определения величины минимального припуска устанавливается размер максимально возможного при неблагоприятных сочетаниях промежуточных размеров припуска Zrnax по формуле (9.3).
Когда значение истинного припуска зависит ог нескольких размеров, его величина Z во многих случаях может рассматриваться в качестве замыкающего звена Ао размерной цепи, т. е. Z = Ао, составляющими звеньями А{ которой являются размеры, влияющие на величину припуска. Тогда в соответствии с формулой (5.2) можно написать
tn—1
ТА0 = Zmax — Zmin = X TAi, t = 1 откуда m—1
Z™x = zmin Д TA._	(9.!4)
При числе размеров, от которых зависит колебание величины припуска, равном или большем четырех, наибольший припуск может быть определен в соответствии с формулой (5 18) из выражения
zmax = zmin + 12	ТА^	(9.15)
е*
259
Расчет припусков может быть также произведен и по предельным размерам составляющих звеньев по формулам:
п	m—1
4га1п=ЕЛ(га1п-£ЯГ;	(9.16)
4=1	n-J-1	'
п	т—I
Zoniax-LArnax- S Amin.	(9.17)
i=l	n+1
получаемым из формулы (5.1), когда припуск принимается в качестве замыкающего звена размерной цепи.
Пример 9.1. Определить операционные припуски и размеры при обработке стального вала 0 45Л8, L = 100 мм с Rz = 3,2 мкм последовательным обтачиванием и шлифованием. Исходная ваготовка — горячий прокат.
Используя справочные данные, осуществляем расчет по приведенным ниже зтапам.
Исходная заготовка — горячий прокат обычной точности: ES = 0,4 мм; Е1 = = —0,7 мм; Rz = 150 мкм; Т = 250 мкм.
Пространственная погрешность Z2. Удельная кривизна Дк = 0,12 мкм; общад кривизна заготовки, обрабатываемой в центрах, рк — Z2 = Дк 0,5£; Z, = _ 0,12.0,5-100	....
1000	0,006 ММ’
Пространственная погрешность Z3. Величина смещения оси заготовки в результате погрешности зацентровки рц = Z3 = 0,25	1, где Т—допуск
в миллиметрах на диаметр базовой поверхности заготовки, использованной прй центровании; Z3 = 0,25	1,1» 4- 1 = 0,36 мм.	1
Суммарное значение пространственной погрешности Z'^~\- Z| = Ур2+ р* = = У0,0062 + 0,362 = 0,36 мм.
Заготовка после обточки: погрешность по ЛИ; поле допуска Т — 0,16 мм! Rz = 20 мкм; Л = 30 мкм; биение 0,1 мм = Z3.
Справочные данные по всем операциям сводятся в табл. 9.1, принимаемую в основу расчета минимальных операционных припусков.
Расчет припусков и операционных размеров производится в направлении от обработанной поверхности к исходной заготовке.
Шлифование: минимальный припуск. Соответственно формуле 2min = = 2 (*4-1 - М +	+ Z2
z2jr = (°-02 + 0.03) + У'о + 0,12 = 0,2 мм.
Расчетный (номинальный) припуск. Согласно формуле (9.4) имеем Z^n = = 0,2+0,16= 0,36 мм.
Максимальный припуск согласно формуле (9.3) определяется по формуле
Z™x = 0,2 + 0,039 + 0,16 = 0,399 мм.
Обтачивание. Номинальный (наибольший) операционный размер на обтачива* иие определяется согласно рис. 9.1 по формуле
£>ток = Ошл + ZX, = 45 + 0,36 = 45,36 мм.
Окончательно £>ток = 45,36_о>1в мм.
Минимальный припуск на обтачивание
Z™" = 2 (0,15 + 0,25) + У 0.0062 + 0,362 = 1,16 мм.
Номинальный (расчетный) припуск на обтачивание определяется по формул» Z™“ = z.m0K + £уНСХ' Заг = !.16 + 0,7 = 1,86 мм.
260
Расчетный диаметр заготовки
Янсх. заг = Яток + ZX = 45-36 + 1.86 = 47,22 ММ.
По сортаменту горячего проката (ГОСТ 2590—57) принимается диаметр прутка Опсх. заг 48_017 мм.
При этом фактические размеры припусков на обтачивание составляют: расчетный припуск согласно формуле (9.1) и рис. 9.1
Z™“ = 48 — 45,26 = 2,64 мм;
Таблица 9.1
Исходные данные для расчета
Операция	Предельные отклонения выдерживаемого размера, мм	Достигаемая шероховатость	, 1 мкм	Дефекта ый СЛОЙ ftp мкм	z.	г.
Горячий прокат (исходная заготовка) Обтачивание Шлифование	+0,4; —0,7 0; —0,16 0; —0,039	150 20 3,2	250 30 5,0	0,006	0,36 0,1
максимальный припуск согласно рис. 9.1
Z™aKx = 2ном = £S“CX’ 3аГ + Гток = 2,64 + 0,16 + 0,4 = 3,20 мм.
Пример 9.2. Рассчитать линейные операционные размеры и припуски на обработку торцов М, N, Р стальной штампованной втулки (рис. 9.3, о), последовательность обработки которой показана на операционных эскизах рис. 9.3, б—г.
Решение. Расчет проводится в направлении от обработанной поверхности к исходной заготовке и начинается с определения минимальных припусков по формуле (9.6), используя значения hi.u Z2 и Z3, рекомендуемые в справочной литературе.
Данные расчеты объединяются в табл. 9.2.
Таблица 9.2
Расчет минимальных припусков на обработку торцовых поверхностей
zrnin=Kj_1+^I)+K^+4
Обрабатываемая поверхность	Выдерживаемый размер	Обозначение припуска	MM	Ki-}. MM	Z„ MM	Zs, MM	zminB MM
N	Л.		0,02	0,02	0,03	0,02	0,08
промеж	Л2 = £>2	ZB,	0,16	0,20	0,50	0,02	—
р	Вт	ZB,	0,16	0,20	0,50	0,02	0,86
м	Л		0,16	0,20	0,50	0,02	—
Определение операционных размеров осуществляется последовательным рас-етом размерных цепей А, Б, В, Г (рнс. 9.4), замыкающими звеньями которых являются минимальные припуски Z™in, Z{?in, Z™n, Zfin.
261
Номинальный размер Аг = Б,, выдерживаемый при подрезке торца под шлифование (рис. 9.4) с допуском по /ill, равным ТА2 = 0,16 мм, определяется из размерной цепи А (рис. 9.4):
ZA,in = Л2~ Л1~ ТА»
А2 = А + 2У1,П + ТА2 = 45 + 0,08 4-0,16 = 45,24 мм.
Окончательно Л2 = Бг = 45,24_0>1в мм.
Рис. 9.3
И ослсд о в ательн о сть втулки
Наибольший припуск на шлифование торца N (рис. 9.4)
ZA,BX = ZA1‘" + TAl + ТА2 = °.°8 + 0,16 4- 0,039 = 0,279 » 0,28 мм.
Номинальный размер В2 = Г\, выдерживаемый при подрезке торца М (см. рис. 9.3, в), вычисляется из размерной цепи В (рис. 9.4):
z£" = В2 - В, - £/в>; в2 = В, 4- Zg" + £/Ва.
Так как отклонения длины Г2 штамповки составляют: £Sr =+1,2 мм, Е1Г = = —0,6 мм, принимаем £/в = 0,5; £/г = —0,3 мм.
Тогда В2 = 90 + 0,86 + 0,3 = 91,16 мм.
Принимая допуск на обработку торца М по размеру Г, соответственно ЛИ, окончательно имеем
В2 = Л = 91,16_0122 мм.
262
Номинальный размер Га длины заготовки определяется из размерной цепи Г по формуле
Г2 = ^4- Z™n + 0,5£/г> = 91,16 + 0,86 + 0,3 = 92,32 мм.
Окончательно Г2 — 92,3iJ;^ мм.
Номинальный размер К ширины фланца после штамповки определяется из размерной цепи
К =	+ £в'п + £/в, + Z^n + 0,5£/Г1 =
= 45,24 + 0,16 + 0,25 = 0,16 + 0,25 = 46,06 мм.
Окончательно К = 46,1±J;| мм.
На основании данных чертежа и расчета устанавливаются нижеследующие операционные размеры на втулку (рис. 9.3, 9.4):
= 45_0 0з9 (чертежный размер);
д2 =	= 45,24_0>16 (после подрезки торца под его шлифование)}
£i = 90_0 35 (чертежный размер);
Гу = 91,16_о22 (после подрезки первого торца).
Линейные размеры штамповки:
Г2 = 92,3±i’jj К = 46,1+J*J.
В примерах 9.1 и 9.2 при расчетах операционных размеров припуск рассматривался в качестве замыкающего звена соответ-
Рис. 9.5
Линейные операционные размерь^ определяющие глубину паза
ствующей размерной цепи. На практике возможны случаи расчетов операционных размеров, в которых припуск включается в размерную цепь в качестве составляющего звена. Примером может служить расчет глубины А х шпоночного паза, выдерживаемой при фрезеровании паза после обточки валика на диаметр (рис. 9.5).
Пример 9.2. Расчет глубины шпоночного паза, определяемой размером Ду, выдерживаемым при его фрезеровании. После фрезерования паза производится шлифование валика на диаметр D2 (что устраняет забоины его поверхности, возможные при фрезеровании), при котором должен одновременно обеспечиваться требуемый чертежом размер Л3, определяющий окончательную глубину шпоночного паза на обработанном валике.
263
Из поставленной задачи обеспечения точности чертежного размера Аа следует, что ои является исходным (замыкающим) звеном размерной цепи А и определяется выражениями:
Ло = А3 = Л3 — Д1 — Л3---g-; Д1 = Дз + *2"»
ymlri	углах
л™ах = л™ах____-____• Л™1П = Л™1”_____-____
где Z — Dx — D2 является припуском иа шлифование валика.
Рассчитываемый размер Aj глубины шпоночного паза после обтачивания определяется выражениями:
ytnln	ymax
у] max __ yjniax j	. дппn _ ^min j 
Для случая, когда Dj = 70,6-0>ie мм; О2 = 70-0>0;4 мм, Л3 = 62-0,з, припуск иа шлифование определяется как замыкающее звсно’размерной цепи:
2<пах = ртах _ pmin = 706 _ (70 _ 0 074) = 0 674 мм;	= 033?
zmln = pmln _ ртах = 706 __ о, 19 — 70 = 0,41 MMJ
= 0,205 мм; г = 0,6±ЭДд4 мм;
Л3 = 62 — = 62,3 мм; Л1"ах = 62 + 0,205 = 62,205 мм;
Л min = 62 — 0,3 + 0,337 = 62,037 мм.
Окончательно имеем Лг = 62,37ц’!.цз мм.
В большом числе случаев расчетов припусков операционных размеров величина припуска ограничивается его минимальным значением Zm,n, определяемым суммой погрешностей, связанных с предшествующей и рассчитываемой операциями, влияние которых необходимо устранить при обработке удалением некоторого слоя металла [см. формулу (9.10)].
Величина максимального припуска при этом жестко не ограничивается и формируется в зависимости от допусков на предшествующую и проектируемую операции.
Однако в некоторых случаях расчетов величина наибольшего припуска на обработку должна быть также строго ограничена. Так, например, для сохранения твердого закаленного слоя после закалки токами высокой частоты или после цементации необходимо, чтобы максимальный припуск на шлифование был меньше глубины закаленного слоя. В некоторых случаях максимальный припуск на шлифование ограничивается из соображений снижения его трудоемкости и т. п.
При этом порядок расчета операционных размеров принципиально не отличается от рассмотренного в приведенных выше примерах, когда замыкающим звеном является припуск с установленными на него допусками.
264
Г л а в a 10
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И ЭКОНОМИЧНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
л 10.1
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И СЕБЕСТОИМОСТЬ ОБРАБОТКИ
Производительность и себестоимость обработки заготовок в значительной степени зависят от предъявляемых требований точности и шероховатости поверхности изготовляемых деталей. Как показывают графики, приведенные на рис. 10.1, уменьшение допусков на обработку и высоты неровностей обработанных поверхностей повышает трудоемкость и себестоимость обработки приблизительно по закону гиперболы. Это объясняется тем, что возрастает основное время в связи с появлением дополнительных ходов и снижением режимов резания; увеличивается вспомогательное время, связанное с контрольными операциями, установкой, выверкой положения заготовки на станке, установкой режущего инструмента на размер (при работе по методу пробных ходов); применяются более сложные и точные, а следовательно, и более дорогие станки; возрастают затраты на режущий инструмент и в ряде случаев применяются более дорогие способы обработки.
Диаграммы (рис. 10.2) показывают, что при повышении точности обработки стальных валиков диаметром 10—18 мм на токарноревольверных станках с 11-го до 7-го квалитетов фактически суммарные затраты времени на обработку, установку резца на размер и на измерение заготовок возрастают в три раза. При этом особенно резко увеличиваются затраты времени на контроль заготовки. Так, например, если при повышении точности обработки с 10-го до 7-го квалитетов машинное время и время установки резца на размер увеличиваются почти в два раза, то время на контрольные измерения заготовок возрастает в семь раз. Кроме того, в процессе точной обработки появляется брак, затраты на который составляют 2 % общей стоимости обработки заготовок при обработке по 8-му и 17 % стоимости при обработке по 7-му квалитету. При дальнейшем повышении точности обработки до 6-го квалитета затраты на брак достигают 32 % стоимости обработки заготовок.
Заданная чертежом точность обработки и требуемая шероховатость поверхности могут быть достигнуты при использовании различных видов обработки, разных станков, инструментов и приспособлений. Так, например, отверстие 9-го квалитета точности с R2 = — 6,3 мкм может быть получено в стальной заготовке путем обычного растачивания быстрорежущими и твердосплавными резцами, развертывания, протягивания и прошивания, алмазного растачивания, шлифования, хонингования и раскатывания роликами и шариками.
К основным и наиболее объективным критериям целесообразности выбора наиболее подходящего для данных конкретных условий
265
инэдд эомногЯшиЯмчиоы - орлЛш/77
-l---------—I-------------------1-----------—I------------------L
S
266
гоианта обработки относятся его производительность и экопомнч-Бость Даже при обработке заготовок определенным способом необходимо установить экономичность применения того или другого типоразмера станка или технологической оснастки. На рис. 10.3 показано изменение трудоемкости тонкого растачивания отверстий
Рис. 10.2
Зависимость трудоемкости обработки от требуемой точности: а — суммарные затраты вре-мени-Гобщ' 6 - от-дельные элементы затрат времени -* Тмащ — машинное (основное) время, Густ — время на установку резца ^изм время на изме! рейне
диаметром 0 40 X 80 мм по 7-му квалитету с Rz = 6,3 мкм и Rz = = 10,0 мкм в стальных заготовках, выполняемого на станках различных типов при наивыгоднейших режимах резания резцами с пластинками Т15К6. Из диаграмм видно, что наиболее высокая производительность операции тонкого растачивания достигается при обработке на специальном алмазно-расточном станке. Выполнение тех же операций на горизонтально-фрезерном станке увели
2Ь7
чивает трудоемкость на 40—50 %, а на токарных станках па 65—80 %.
Экономичность механической обработки зависит не только от требуемой точности, применяемых методов обработки и станков. Она изменяется также в зависимости от применяемых режимов резания.
На рис. 10.4 показано, что с увеличением скорости резания трудоемкость и себестоимость обработки сначала снижаются, а затем, перейдя через некоторые минимальные значения и V?, возрастают (в связи с увеличением износа режущего инструмента и затрат времени на его замену). При этом важно отметить, что
Рис. 10.3
Трудоемкость тонкого растачивания отверстий на различных станках:
1 — специальный алмазно-расточной; 2 — токарный; 3 — горизонтально-фрезерный
Рис. 10.4
Зависимость трудоемкости и себестоимости обработки от скорости резаиия
оптимальные скорости резания, соответствующие минимальным за-тратам времени Tmln и минимальной себестоимости Cmln, не совпадают. Скорость резания, оптимальная по себестоимости, всегда меньше оптимальной скорости по производительности. Чем дешевле режущий инструмент и меньше доля затрат на него в общей себестоимости обработки, тем выше оптимальная скорость резания по себестоимости обработки и тем ближе она подходит к оптимальной скорости резания по производительности.
Выбор скорости резания по наибольшей производительности или по наименьшим затратам осуществляется для каждого конкретного случая с учетом сложившейся обстановки (степень срочности задания, степень загрузки данного станка, возможности инструментального цеха по восполнению повышенного расхода инструмента и т. п.). В любом случае скорость резания не должна выходить за пределы оптимальных скоростей по производительности и себестоимости.
268
Сопоставление эффективности технологических вариантов по критериям производительности и себестоимости может привести отдельных случаях к различным выводам. Так, например, при сопоставлении растачивания отверстия диаметром 30X40 мм по 7-му квалитету с шероховатостью Rz = 6,3 мкм в стальных заготовках быстрорежущим резцом Р18 на токарном станке 1К.62 и протягивания в серийном производстве получены приведенные ниже данные.
Технологическая себестоимость, руб.: при протягивании...............................0,11
при растачивании..............................0,11
Трудоемкость (штучно-калькуляционное время, мин): при протягивании...............................1,06
при растачивании..............................3,63
показывает, что при сопоставлении эффек-процессов не следует ограничиваться обработки, а иногда требуется
С %
Приведенный пример тивности технологических определением только себестоимости подсчитать как себестоимость, так и трудоемкость обработки.
В ответственных случаях определения экономической эффективности технологических процессов необходимо вести расчет по двум ее основным критериям: производительности (или трудоемкости), выражаемой штучно-калькуляционным временем, и себестоимости, представленной в виде технологической себестоимости. Когда по сравниваемым вариантам технологических процессов затраты на режущий инструмент различаются незначительно, можно ограничиться сопоставлением эффективности процессов только по одному из указанных критериев
экономичности. Если один из сравниваемых вариантов связан с применением дорогостоящего оборудования или специальной технологической оснастки, анализ экономичности процессов следует дополнить расчетом приведен-
КопичвагЛо заготовок в партии, шт.
Рис. 10.Б
Зависимость составляющих затрат себестоимости от вида оборудования и количества выпускаемой продукции:
1 — затраты на заработную плату; 2 —• затраты на амортизацию; 3 — затраты на освоение станка; 4 — затраты на материалы
иых затрат.
Экономическая эффективность технологических процессов в большой степени зависит от масштабов годового выпуска изделий и размеров партии заготовок, запускаемых в производство. Известно, что приобретение высокопроизводительных, но дорогостоящих многошпиндельных автоматов и полуавтоматов окупается только при достаточно больших количествах выпускаемых изделий. С другой
269
стороны, структура и общая сумма затрат по эксплуатации станков различного типа существенно различаются.
На рис. 10.5 приведена зависимость составляющих затрат себе* стоимости от вида оборудования, а также от количества выпускаемой продукции. Из рисунка видно, что при использовании простых и дешевых токарных и револьверных станков основная часть себестоимости обработки приходится на долю заработной платы, достигающей 80—90 %. При переходе к высокопроизводительным автоматам доля заработной платы в общей себестоимости снижается до 55 % для одношпиндельного и до 20 % для шестишпиндельного автомата. Соответственно возрастает доля затрат на амортизацию (до 35 %) и освоение (до 20 %) станка. Повышенные эксплуатационные расходы окупаются за счет высокой производительности станка при достаточно большом выпуске.
Рис» 10.6
Изменение себестоимости изготовления ступенчатых втулок на различном обору-* дованми:
1 — токарный станок; 2 —* револьверный станок; 3 —• о Дношпни дельный токарный ввтомат; 4 — четырехшпин* де <пьный токарный автомату 5 — шестншпнндельный то* карный автомат
На рис. 10.6 приведены кривые изменения себестоимости обработки стальных ступенчатых заготовок средней сложности, требующих применения сверлильного и расточного инструмента, разверток, фасонных и отрезных резцов в зависимости от размеров партии обрабатываемых заготовок. При расчете себестоимости принималось, что один рабочий обслуживает один токарный или револьверный станок или два одинаковых автомата. Все затраты на режущий инструмент, электроэнергию, охлаждающие и смазывающие средства, амортизацию станка и приспособлений, заработную плату основных и вспомогательных рабочих и на материал относились к единице продукции.
Кривые изменения себестоимости (рис. 10.6) имеют вид гипербол и при увеличении количества обрабатываемых заготовок асимптотически приближаются к прямым, характеризующим наименьшую себестоимость обработки заготовок на данном станке, не зависящую от размеров партии заготовок. Это означает, что для каждого станка существует определенная величина партии заготовок данной сложности и размеров, начиная с которой достигается наиболее экономичная работа станка. Пересечение кривых себестоимости (точки Г, 2', 3', 4') определяет пределы экономичного использования станков 270
оазных типов. Из рисунка следует, что при обработке малых партий ?з0На левее точки Г) наиболее экономичным является применение токарного станка. С увеличением партии заготовок наиболее экономичной оказывается обработка соответственно на револьверном, сдно-, четырех- и шестишпиндельном токарных автоматах.
Большое влияние видов и режимов обработки, применяемых станков и технологической оснастки на экономичность изготовления заготовок, а также зависимость экономичности технологических процессов от размеров партий обрабатываемых заготовок делают актуальной проблему оценки экономичности эффективности технологических процессов. Правильное и своевременное определение экономической эффективности создания и применения ноной техники и технологии производства в значительной степени определяет направление и темпы дальнейшего технического прогресса машиностроения.
На современном этапе развития технологии машиностроения как науки учение об экономичности технологических процессов становится ее неотъемлемой составной частью, равнозначной таким ее разделам, как учение о точности и производительности.
§
ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОГО НОРМИРОВАНИЯ
Техническое нормирование в широком смысле этого понятия представляет собой установление технически обоснованных норм расхода производственных ресурсов (ГОСТ 3.1109—82). При этом под производственными ресурсами понимаются энергия, сырье, материалы, инструмент, рабочее время и т. д.
В современных условиях механосборочного производства экономия производственных ресурсов (в силу ряда причин экономического, демографического и социального характера) приобретает чрезвычайно важное значение. Особенно важной задачей, решаемой при проектировании технологических процессов, является задача технического нормирования рабочего времени, т. е. нормирования труда.
ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ НОРМИРОВАНИЯ ТРУДА
Основной принцип социализма — от каждого по его способностям и каждому по его труду — требует установления конкретных и точных норм труда.
Определение меры труда и соответствующего вознаграждения и является одной из основных задач нормирования. Нормирование тРУда осуществляется методами технического нормирования и опытно-статического нормирования.
Техническое нормирование труда—это совокупность методов и приемов по выявлению резервов рабочего времени и установлению необходимой меры труда. Задачами технического нормирования являются выявление резервов рабочего времени и улучшение орга-
271
низании труда на предприятии, установление правильной меры труда (т. е. определение нормы времени) и в конечном счете — повышение производительности труда и увеличение объема производства.
При техническом нормировании труда (т. е. при аналитическом методе определения нормы времени) технологическая операция разлагается на элементы машинные, машинно-ручные и ручные, I на переходы, хода, приемы и.движения. При этом каждый элемент подвергается анализу как в отдельности, так и в сочетании со смежными элементами. Перед расчетом нормы времени производится анализ структуры нормируемой операции с целью ее улучшения путем: исключения из ее состава всех лишних приемов и движений, без которых работа может быть успешно выполнена; сокращения пути всех движений рук, ног и корпуса рабочего; замены утомительных приемов работы более легкими; обеспечения выполнения ручных приемов работы во время автоматической подачи; освобождения рабочего от выполнения подсобных работ по подноске материалов, инструмента, заготовок и по заточке инструмента; применения многоместных приспособлений; прогрессивных режимов резания; использования опыта передовиков по сокращению затрат вспомогательного времени.
Нормы времени, определенные аналитическим методом, называются технически обоснованными нормами или просто техническими нормами.
Технически обоснованная норма времени — это время, необходимое для выполнения единицы работы, установленное расчетом исходя из рационального использования в данных условиях производства труда рабочего (живого труда) и орудий труда (овеществленного труда) с учетом передового производственного опыта.
Технически обоснованная норма устанавливается с учетом наличия рационального технологического процесса, правильной для данных производственных условий организации труда и выполнения работы рабочим соответствующей квалификации, производительность труда которого выше средней производительности труда рабочих на аналогичной работе. При этом под правильной организацией труда подразумеваются: экономически целесообразное в данных условиях отделение основной работы от подготовительной и вспомогательной; рациональная организация рабочих мест и их систематическое обслуживание исходя из данных производственных условий; рациональное выполнение трудовых действий рабочего; нормальные санитарно-гигиенические условия работы (освещение, отопление, вентиляция) и техника безопасности.
Назначение технической нормы времени не ограничивается определением оплаты за труд и его производительности. Технические нормы служат основой для определения требуемого количества и загрузки оборудования, производственной мощности участков и цехов, расчета основных показателей по труду и заработной плате, а также являются основой оперативного (календарного) планирования.
272
Технически обоснованные нормы могут быть освоены всеми рабочими данной специальности и квалификации, овладевшими трудовыми приемами, технологией и режимами работы, положенными в основу расчета этих норм. С развитием техники, технологии н организации производства, с ростом энерговооруженности рабочего и повышением его культурного уровня нормы времени должны корректироваться в сторону их снижения с учетом растущей производительности труда.
Опытно-статистический метод нормирования, применяемый в условиях единичного и мелкосерийного производств, в отличие от технического нормирования не предполагает аналитического расчета трудоемкости отдельных элементов выполняемой работы и их суммирования. Норма времени устанавливается на всю операцию в целом путем сравнения с нормами и фактической трудоемкостью выполнения в прошлом аналогичной работы. Статистические данные о фактической.трудоемкости аналогичных операций в прошлом и личный опыт нормировщиков и мастеров являются основой этого метода нормирования.
Вследствие того что фактическая затрата времени и фактическая выработка в прошлом отражают существовавшие в то время недостатки в технологии и организации труда и производства, опытностатистические нормы узаконивают их на будущее. Эти нормы не имеют под собой технической и расчетной базы и, как правило, являются заниженными и не отвечают задачам вскрытия резервов производства и повышения производительности труда. В связи с этим одной из важнейших и неотложных задач машиностроительного производства является повсеместный переход от опытно-статистического нормирования к техническому.
В отличие от опытно-статистических норм технические нормы: 1) предусматривают использование передового производственного опыта, возможно более полное использование имеющихся средств производства и рабочего времени, так как они установлены исходя из рационально построенных технологических и трудовых процессов; они определяют производительность труда выше среднего достигнутого уровня и являются поэтому прогрессивными, подтягивающими отстающих рабочих к передовым; 2) при аналитическом методе нормирования и при использовании нормативов нормы однородны по жесткости, что исключает появление неоправданно высокой или чрезмерно низкой оплаты труда, в обоих случаях приводящей к дезорганизации производства; 3) введение объективных и технически обоснованных расчетных норм устраняет конфликты и споры о правильности норм, имеющие место прн опытно-статистическом нормировании.
В условиях единичного и мелкосерийного производств экономически нецелесообразно расчленять операции на дифференцированные элементы для определения норм времени. В этом случае Определение норм времени производится по укрупненным нормативам (на технологические переходы) или по типовым нормам, составленным аналитическим методом для типовых технологических
273
процессов. Методы укрупненного нормирования, базирующиеся на нормативы и типовые нормы, составленные аналитическим методом, тоже являются методами технического нормирования.
КЛАССИФИКАЦИЯ ЗАТРАТ РАБОЧЕГО ВРЕМЕНИ
Затраты рабочего времени в течение рабочего дня (за исключением обеденного перерыва) подразделяются на нормируемые и ненорми* руемые затраты.
К нормируемым затратам относятся затраты, необходимые для выполнения заданной работы и потому подлежащие включению в состав нормы времени.
К ненормируемым затратам рабочего времени, которые не включаются в состав нормы, относятся потери рабочего времени (потери времени вследствие выполнения рабочим случайной и непроизводительной работы, такой как хождение за мастером, наладчиком, документацией, инструментами, транспортными средствами, материалами и т. п.; перерывы в работе по организационным и техническим причинам, связанные с простоями в ожидании работы, крана, подсобного рабочего, чертежа, инструмента, с простоями из-за отсутствия электроэнергии и т. п.; потери по вине рабочего в связи с опозданиями и преждевременным уходом с рабочего места, посторонними разговорами и т. п.).
Нормируемые затраты рабочего времени делятся на подготовительно-заключительное время, оперативное время, время обслуживания рабочего места и время перерывов на отдых и личные потребности рабочего.
Норма подготовительно-заключительного времени Т„.3 — это норма времени на подготовку рабочих и средств производства к выполнению технологической операции и приведение их в первоначальное состояние после ее окончания.
Норма подготовительно-заключительного времени включает в себя затраты времени на подготовку к заданной работе и выполнение действий, связанных с ее окончанием; оно предусматривает затраты времени на: а) получение материалов, инструментов, приспособлений, технологической документации и наряда на работу; б) ознакомление с работой, технологической документацией, чертежом, получение необходимого инструктажа; в) установку инструментов, приспособлений, наладку оборудования на соответствующий режим работы; г) снятие приспособлений и инструмента; д) сдачу готовой продукции, остатков материала, приспособлений, инструмента, технологической документации и наряда.
Подготовительно-заключительное время затрачивается один раз на всю партию обрабатываемых изделий, изготовляемых без перерыва по данному рабочему наряду, и не зависит от числа изделий в этой партии. При нормировании величина подготовительно-заключительного времени определяется по нормативам с учетом типоразмера станка, приспособления, конструкции и массы обрабатываемой заготовки и т. п.
274
Норма оперативного времени ТОП — stno норма времени на выполнение технологической операции, состоящая из суммы норм основного времени — То и непере-Крываемого им вспомогательного времени — Тв, т. е.
Топ = То + Тв. (10.1)
Затраты оперативного времени на выполнение технологической операции повторяются с каждой единицей изделия или через строго определенное их число.
Норма основного времени То — это норма времени на достижение непосредственной цели данной технологической операции или перехода по качественному и (или) количественному изменению предмета труда.
Основное (технологическое) время То представляет собой время, в течение которого осуществляется изменение размеров и формы заготовки, внешнего вида и шероховатости поверхности, состояния поверхностного слоя или взаимного расположения отдельных частей сборочной единицы и их крепления и т. п. Основное время может быть машинным, машинно-ручным, ручным и аппаратурным.
При всех станочных работах основное время определяется отношением величины пути, пройденного обрабатывающим инструментом, к его минутной подаче. Для токарных, сверлильных, резьбонарезных работ, для зенкерования, развертывания и фрезерования основное (машинное) время определяется в соответствии с рис. 10.7 по формулам:
То = Тм = —; (Ю.2) SM11H rtS nst
L = 1+ I. + l2,	(10.3)
ГДе — машинное время, мин; L — Длина пути инструмента, мм; I — длина обрабатываемой поверхности, мм; 1г — величина врезания инструмента, мм; — величина перебега (схода) инструмента, мм; i — число ходов; амян — подача, мм/мин (минутная подача); п — частота вращения шпинделя или фрезы,
Рис. 10.7
Длина перемещения режущего инструмента: а — при тозезнн; б, в — при фрезеровании; г — при сверлении; д — прн развер* тывании
275
об/мин; s — подача на один оборот шпинделя или фрезы, мм/об; t — глубина резания на сторону, мм; Z — припуск на сторону, мм.
При обработке по методу пробных ходов и промеров длина пути инструмента L увеличивается с учетом дополнительной длины на взятие пробных стружек.
При расчете основного времени по формулам (10.2) и (10.3) элементы режимов резания v, п, s, t определяются по соответствующим формулам теории резания или таблицам нормативов, приведенным в справочной технической литературе [4, 13, 14] и руководствах по техническому нормированию [7, 8, 9, 11 ].
Последовательность расчета элементов режимов резания также установлена этими руководящими материалами.
Норма вспомогательного времени Тв представляет собой норму времени на осуществление действий, создающих возможность выполнения основной работы, являющейся целью технологической операции или перевода, и повторяющихся с каждым изделием или через определенное их число (установка и снятие изделия, пуск и выключение станкй, подвод и отвод инструмента, перемещение стола или суппорта, промеры изделия, смена инструмента или его переустановка, если это производится на каждое изделие или через определенное число изделий).
Вспомогательное время по преимуществу бывает ручным, но оно может быть и механизированным (установка и снятие изделия краном), и машинным (автоматический и обычно ускоренный холостой обратный ход суппорта или стола станка).
Вспомогательное время определяется суммированием его составляющих элементов, приведенных в таблицах нормативов по техническому нормированию [8, 9]. При этом в его состав включаются затраты времени на установку и снятие заготовки; время, связанное с переходом; время на перемещение частей станка (суппорта, каретки); время на изменение режима работы станка и на смену инструмента и время на контрольные измерения.
Время на установку и снятие заготовки дается в нормативных таблицах на весь комплекс «установить и снять заготовку» в зависимости от ее веса, типа приспособления, способа базирования и закрепления и т. п.
Время, связанное с переходом, включает в себя время на подвод инструмента к заготовке, включение и выключение подачи, отвод инструмента в исходное положение. При этом время на перемещение суппорта в комплекс времени, связанного с переходом, не включено и определяется в зависимости от длины перемещения отдельным слагаемым вспомогательного времени. Также не включено в комплекс времени на переход и время, затрачиваемое иа изменение режима работы станка и смену инструмента, которое учитывается отдельным слагаемым вспомогательного времени.
Время на контрольные измерения устанавливается на процесс измерения, производимый после выполнения станочником перехода или операции, и включается в норму только в тех случаях, когда оно не может быть перекрыто машинным временем. Периодичность 276
контрольных измерений зависит от стабильности получаемых при обработке размеров, допуска и размеров обработки, конструкции режущего инструмента и способа выполнения обработки. В нормативных таблицах приводятся соответствующие рекомендации.
Время обслуживания рабочего места Т„6с представляет собой часть штучного времени, затрачиваемую исполнителем на поддержание средств технологического оснащения в работоспособном состоянии и уход за ним и рабочим местом.
В условиях массового производства, машинных и автоматизированных операций время обслуживания рабочего места подразделяется на время технического и время организационного обслуживания.
Время технического обслуживания ТГеХ — это время, затрачиваемое на уход за рабочим местом (оборудованием) в течение данной конкретной работы (смена затупившихся инструментов, регулировка инструментов и подналадка оборудования в процессе работы, сметание стружки и т. п.). Время технического обслуживания определяется в процентах к основному времени.
Время организационного обслуживания Торг — это гремя, затрачиваемое на уход за рабочим местом в течение рабочей смены (время на раскладку и уборку инструмента в начале и конце смены, время на осмотр и опробование оборудования, время на его смазку и чистку и т. п.). Время организационного обслуживания определяется в процентах к оперативному времени.
Время на личные потребности ТОТЯ — это часть штучного времени, затрачиваемая человеком на личные потребности и (при утомительных работах) на дополнительный отдых; оно предусматривается для всех видов работ (кроме непрерывных) и определяется в процентах к оперативному времени. Обычно это время не превосходит 2 % от продолжительности рабочей смены. На работах физически тяжелых, особенно утомительных, отличающихся большим грузооборотом или производимых ускоренным темпом, кроме того, предусматривается дополнительное время на перерывы для отдыха.
СТРУКТУРА НОРМЫ ВРЕМЕНИ
Норма времени — это регламентированное время выполнения некоторого объема работ в определенных производственных условиях одним или несколькими исполнителями соответствующей квалификации (ГОСТ 3.1109—82). В машиностроении норма времени обычно Устанавливается на технологическую операцию.
Технически обоснованная норма времени Тшк состоит из нормы подготовительно-заключительного времени на партию обрабатываемых изделий Тп-3 и нормы штучного времени Тш, т. е.
Тш.к = Тш + ТП.3/п,	(10.4)
где Тш.к—норма штучно-калькуляционного времени (норма времени); Т„.3 — норма подготовительно-заключительною времени на
277
партию обрабатываемых заготовок; п — количество заготовок в обрабатываемой партии.
Норма штучного времени — это норма времени на выполнение объема работы, равной единице нормирования.
Штучное время может быть определено как интервал времени, равный отношению цикла технологической операции к числу одновременно изготовляемых или ремонтируемых изделий или равный календарному времени сборочной операции.
Цикл технологической операции — это интервал календарного времени от начала до конца периодически повторяющейся техноло-гической операции независимо от числа одновременно изготовляемых или ремонтируемых изделий.
При техническом нормировании норма штучного времени Тш подсчитывается по формуле
— 70 + 7В + 70бс
+ Татт — 7о6с “Ь 7ОТД.
(10.5)
В норму штучного времени не включаются затраты времени на работы, которые могут быть выполнены в течение автоматической работы оборудования, т. е. могут быть перекрыты машинным временем.
В условиях массового производства (в связи с редкой сменой работы на отдельных рабочих местах и незначительным удельным весом подготовительно-заключительного времени в общем штучнокалькуляционном времени) подготовительно-заключительное время в норму времени не включается и в качестве нормы времени принимается величина нормы штучного времени, определяемая по формуле
Тш = То + Тв + 7 тех + ^орг + ^отд	(10.6)
или
тш = То + Тв + ^То + (То + Тв) + (То + Тв), (10.7)
где аорг — процент времени на организационное обслуживание рабочего места; ЬТеХ — процент времени на техническое обслуживание рабочего места; аотд — процент времени на отдых и естественные потребности.
В единичном и серийном производствах норма времени определяется по формуле (10.4). В связи с тем что в единичном и серийном производствах время на обслуживание рабочего места на организационное и техническое не подразделяется и так же, как и время на отдых и личные потребности рабочего, исчисляется в процента^ оперативного времени, формула для подсчета штучного временй упрощается и приобретает вид
7ш = (70 + Тв)(Ц-^),	(10.8)
где Ц — процент оперативного времени на обслуживание рабочего места (техническое и организационное) и на отдых и личные потребности рабочего.
278
Значения коэффициентов оорг, оОТД1 6ТеХ и К принимаются согласно нормативам [8].
Норма времени на партию заготовок определяется по формуле
Т'пар — П-з + П/г,	(10.9)
где п — число штук в партии заготовок.
Норма затрат рабочего времени на изготовление изделий может быть также выражена количеством продукции, изготовляемой в единицу времени (смену, час). В этом случае она называется нормой выработки в определенную единицу рабочего времени. Норма выработки определяется отношением продолжительности рабочей смены (или часа) к норме штучного времени, т. е.
//в = 7’см/Гш,	(10.10)
где Нъ — норма выработки в штуках изделий; Тсм— продолжительность рабочей смены в минутах (часах).
ОСОБЕННОСТИ НОРМИРОВАНИЯ МНОГОИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ
При обработке на многорезцовых, многошпиндельных и многопозиционных станках и на автоматических линиях особенности операции накладывают на режим резания определенные ограничения, которые приводятся ниже.
1.	Все инструменты должны работать с одинаковой подачей в миллиметрах на оборот шпинделя или на один двойной ход.
2.	Длина хода для всех инструментов должна быть одинаковой (указанное ограничение характерно для станков, работающих резцами, закрепленными на одном суппорте).
3.	Соотношение между величинами подач отдельных инструментов задано и не может быть изменено (например, при работе многошпиндельной сверлильной головки соотношение между подачами для отдельных шпинделей обязательно должно быть равно передаточному отношению кинематической цепи, связывающему эти шпиндели).
4.	Все инструменты должны работать при одной и той же частоте вращения шпинделя (например, работа многорезцовых токарных станков, работа нескольких фрез, закрепленных на одной оправке).
5.	Соотношение частот вращения шпинделей и отдельных инструментов задано и не может быть изменено.
6.	Все инструменты должны работать с одинаковой минутной подачей.
7.	Все инструменты должны работать с одинаковой скоростью резания (например, при работе на продольно-строгальных станках).
8.	Машинное время инструментов (суппортов, агрегатов и т. д.) Должно быть одинаковым (при этом частоты вращения шпинделей и подачи в миллиметрах на оборот и в миллиметрах в минуту могут быть различными, например, нормирование автоматической линии и многопозиционных станков последовательного действия).
279
ВЛИЯНИЕ МНОГОИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ НА РЕЖИМ РЕЗАНИЯ
Глубина (ширина) резания (как и при одноинструментной обработке) определяется припуском. Здесь также припуск должен быть удален по возможности за один ход, а при повышенных требованиях к точности и шероховатости — за два хода: черновой и чистовой. В случаях, когда ходы могут производиться одновременно (например, при обработке на многопозиционных станках), может оказаться целесообразной обработка неточных поверхностей в два хода.
Подачи (как и при одноинструментной обработке) должны быть взяты максимально возможными. Величину подачи здесь ограничивают: а) прочность механизмов привода и подачи станка; б) прочность инструмента; в) прочность заготовки; г) жесткость технологической системы; д) шероховатость обрабатываемой поверхности.
Мощность станка, как правило, не ограничивает подачу: при недостатке мощности в большинстве случаев следует снижать не подачу, а скорость резания.
Если конструкция станка заставляет принять для нескольких инструментов одинаковые (ограничение 1) или пропорциональные (ограничение 3) подачи, то общая подача выбирается так, чтобы ни для одного инструмента технологически допустимая подача не была превышена. Это обычно приводит к снижению подач для всех инструментов, кроме одного.
При работе на многосуппортных станках (многорезцовых и др.) работа всех суппортов с технологически допустимыми подачами привела бы к разной продолжительности работы суппортов. Если нет возможности сократить время работы «лимитирующего» суппорта, требующего наибольшего времени для своей работы, то подачи остальных суппортов могут и должны быть снижены. Такое выравнивание времени работы суппортов оберегает режущий инструмент, не увеличивая машинного времени.
Подача нелимитирующих суппортов должна быть снижена до таких величин, при которых время работы всех суппортов получится одинаковым. Однако при этом следует иметь в виду, что для некоторых инструментов имеется не только максимум, но и минимум допустимой подачи. Например, при работе твердосплавных резцов на многорезцовых станках не следует применять подачи меньше 0,04—0,05 мм'об.
Недостаточные жесткость и прочность станка часто заставляют снижать подачи. В связи с этим проверка принятых подач по силовым паспортным данным станка является обязательной.
Скорости резания могут приниматься одинаковыми с одноинструментной обработкой в случаях: а) обработки чистовым инструментом, когда изменение скорости приводит к недопустимому увеличению шероховатости поверхности; б) обработки металлов, имеющих резко выраженный оптимум скорости, отклонение от которого приводит к резкому падению стойкости (некоторые стали аустенитного класса).
280
Скорости резания снижаются', а) при заданном соотношении между скоростями (ограничения 4, 5, 7); б) в случае, когда инструменты должны работать с одинаковой минутной подачей (ограничение 6) или с одинаковым машинным временем (ограничение 8) для обеспечения работы всех инструментов с технологически допустимыми подачами в миллиметрах на оборот или в миллиметрах на зуб; в) при недостаточной мощности станка (при этом, когда скорость снижается ниже 40—50 м/мин, иногда приходится отказываться от применения резцов Т5К10, Т15К6 и Т14КВ, плохо работающих при низких скоростях); г) в связи с необходимостью повысить стойкость инструментов при многоинструментной обработке.
Скорость резания может повышаться, если инструменты должны работать с одинаковой длиной хода (ограничение 2). В этом случае для некоторых инструментов время резания составляет лишь часть машинного времени. Это позволяет повысить расчетные скорости резания для этих инструментов без увеличения расчетного периода стойкости.
Для операций, ритм которых не связан с ритмом других операций, следует стремиться к работе со скоростями и при стойкости инструмента, обеспечивающими наименьшую себестоимость операции.
В случаях, когда продукция пролета, цеха или поточной линии должна выпускаться комплектно, т. е. ритм нескольких операций должен быть одинаковым, для получения наименьшей себестоимости продукции необходимо несколько повышать (по сравнению с экономическими) скорости резания для операций, являющихся «узким» местом, и снижать их для остальных операций. Повышать скорости резания выше скоростей наибольшего выпуска не следует.
$ 10.3
МЕТОДЫ РАСЧЕТА
ЭКОНОМИЧНОСТИ ВАРИАНТОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Сопоставление экономичности вариантов технологических процессов во многих случаях производится путем сравнения себестоимости обработки заготовок, отражающей затраты живого и овеществленного труда.
БУХГАЛТЕРСКИЙ МЕТОД
Широко распространен метод определения себестоимости обработки партии заготовок по формуле
С = Лп + В,	(10.11)
где С — себестоимость партии заготовки; п — количество обработанных заготовок в партии, шт.; А — текущие затраты, т. е. затраты, повторяющиеся при изготовлении каждой отдельной заготовки; о единовременные затраты, т. е. затраты, которые производятся один раз на все количество заготовок или периодически на определенную их партию.
281
Себестоимость обработки одной заготовки в этом случае определяется по формуле
Сзаг = Л “F S/n.
(10.12)
По формуле (10.12) и согласно кривым, приведенным на
количества заготовок себестоимость их
рис.
10.8, с увеличением
Рис. 10.8
Изменение себестоимости С с увеличением количества обрабатываемых заготовок
обработки снижается по гиперболической зависимости (даже при
сохранении неизменного техноло-
гического процесса и связанных с ним единовременных и текущих затрат). Однако это снижение себестоимости происходит только в определенных границах увеличения количества обрабатываемых заготовок. По мере увеличения партии заготовок до некоторого значения пх это количество уже не может быть изготовлено при данном варианте технологического процесса в установленный срок, поэтому потребуется введение дополнительной единицы оборудования с соответ-
ствующим увеличением единовременных расходов В. Это придает графикам зависимости себестоимости от количества изготовляемых заготовок ступенчатый характер (рис. 10.9).
При разных вариантах технологических процессов с различной производительностью обработки количество заготовок, требующих увеличения числа единиц оборудования, неодинаково, что является
Рис. 10.9
Изменение себестоимости С с введением дополнительного оборудования
Рис. 10.10
Сопоставление себестоимости трех вариан* тов технологических процессов
дополнительным аргументом необходимости расчетов экономической эффективности проектируемых технологических процессов. При сопоставлении экономичности технологических вариантов с указанными методами в качестве наилучшего принимается тот вариант, который дает при данном количестве заготовок наименьшую себестоимость. Так, например, при обработке партии заготовок от п = 0 до п = /гх (рис. 10.10) наивыгоднейшим является первый вариант с себесто-
282
пмостью Ср при обработке партии от пл до п3 — второй вариант н при размерах партии более па заготовок — третий (на рисунке зона наименьших затрат заштрихована).
В состав единовременных затрат В, входящих в формулы (10.11) и (10.12), включаются затраты на приобретение специальных станков, приспособлений и инструмента, а также на наладку станков. Текущие затраты А включают в себя: стоимость исходной заготовки С  '; затраты на заработную плату основных рабочих С3 и все цехо-вые’расходы, связанные с амортизацией и ремонтом оборудования, содержанием зданий; затраты на силовую электроэнергию; затраты на нормальный режущий, мерительный и вспомогательный инструмент и универсальные приспособления; затраты на заработную плату инженерно-технических работников, управленческого и обслуживающего персонала, а также на заработную плату вспомогательных рабочих цеха (инструментальная группа, ремонтные рабочие и т. п.). Цеховые расходы принято при калькулировании себестоимости определять в процентах от заработной платы основных рабочих цеха. Таким образом, текущие затраты можно найти по формуле
л = сзаг + с3(1 +JL),	(10.13)
где Сзаг — стоимость исходной заготовки, включая стоимость материала и ее изготовления, за вычетом стоимости реализуемых отходов (стружки); Р — сумма всех цеховых расходов, выраженная в процентах от заработной платы основных рабочих (процент накладных расходов).
Процент накладных расходов определяется при бухгалтерской калькуляции себестоимости продукции цеха по отчетным данным работы цеха и колеблется в зависимости от условий производства (серийность, оснащенность цеха, его размеры, степень автоматизации, организационная структура и т. п.) от 150 до 800 % [10].
Изложенный метод расчета себестоимости обработки прост и нагляден, однако принятый за его основу способ выражения цеховых расходов в процентах от заработной платы основных рабочих (процент накладных расходов) не дает возможности учесть разницу в расходах по эксплуатации и амортизации оборудования и универсальной оснастки, различной по сложности и размерам. При расчете по этому методу более производительные технологические процессы оказываются более экономичными даже в случаях применения очень сложного и дорогого универсального оборудования и технологической оснастки.
Для сопоставления экономичности технологических вариантов бухгалтерский метод не пригоден. Он может быть использован только в отдельных случаях, т. е. при приближенном определении себестоимости сравнительно однородной продукции цеха, изготовляемой на оборудовании и оснастке, одинаковых по степени сложности и размерам.
283
ЭЛЕМЕНТНЫЙ МЕТОД
Наиболее точным методом расчета себестоимости вариантов технологических процессов при их сопоставлении является элементный метод или метод прямого расчета всех составляющих себестоимости. ’В отдельных случаях при расчете можно не учитывать затрат, которые во всех сравниваемых вариантах остаются постоянными, и определять себестоимость только по затратам, зависящим от сравниваемых’технологических процессов. Такая неполная себестоимость! включающая в себя только затраты, обусловленные вариантом технологического процесса, называется технологической себесто! имостыо Ст.
В общем случае полная технологическая себестоимость соответ-1 ствует цеховой себестоимости и складывается из следующих элементов:
ст = сг 4- С3.п + сэ 4- св 4- сре)к + см 4- са 4- ср 4- сп + спл 4-
4-Со 4-Сисх. заг,	(10.14)
где С,— заработная плата рабочих с начислениями; С3. „ — заработная плата наладчиков с начислениями; Са — затраты на силовую электроэнергию; Св — затраты на вспомогательные материалы (смазочно-обтирочные материалы и смазочно-охлаждающие жидкости); Ср™ — затраты на амортизацию, заточку и ремонт универсального и специального режущего инструмента; См — затраты на амортизацию и ремонт универсального и специального мерительного инструмента; Са — затраты на амортизацию оборудования; Ср — затраты на ремонт и модернизацию оборудования; Сп — затраты на ремонт и амортизацию универсальных и специальных приспособлений; Спл — затраты на амортизацию, ремонт, отопление, освещение и уборку производственного помещения; Со — затраты на общие цеховые расходы (заработная плата вспомогательных рабочих, инженерно-технических работников и служащих цеха с соответствующими начислениями; расходы по ремонту и амортизации общего вспомогательного оборудования и инвентаря цеха; расходы по охране труда и др.); Сисх. заг— стоимость исходной заготовки (включая стоимость ее изготовления и материала за вычетом стоимости реализуемых отходов — стружек).
При сопоставлении вариантов технологических процессов, введение которых связано с изменением организационной структуры участка или цеха или с изменением состава обслуживающего персонала и инженерно-технических работников (например, при создании автоматических линий, внедрении станков с программным управлением и т. п.), что приводит к соответствующему изменению цеховых расходов, расчет величины Со является необходимым. В более простых случаях сравнения вариантов, близких по характеру и не требующих подобных изменений в цехе, эта составляющая технологической себестоимости может не учитываться. При сопоставлении вариантов изготовления заготовки из одинаковых исходных заготовок в формуле (10.14) опускается составляющая CUCJc. заг- При
284
сопоставлении вариантов изготовления из разных исходных заготовок составляющая Спсх. заг имеет большое значение и должна рассчитываться по соответствующим формулам. Ее величина при заданной производственной программе зависит от массы и стоимости материала, требуемой точности и от метода получения исходных заготовок.
Элементный метод расчета себестоимости является основным методом сопоставления экономичности технологических процессов во всех ответ-ственных случаях, особенно в условиях массового и крупносерийного производств. В менее ответственных случаях, а также при расчетах себестоимости для серийного и мелкосерийного производств этот метод применяется с учетом укрупненных нормативов затрат.
Расчет технологической себестоимости в этом случае производится также по формуле (10.14), однако отдельные слагаемые себестоимости находят не прямым расчетом по точным формулам, а по соответствующим нормативным таблицам затрат, отнесенным к часу или к минуте работы станка. Подобные нормативы [И ] по всем элементам технологической себестоимости составлены (за исключением стоимости исходной заготовки, которая должна вычисляться по соответствующим формулам применительно к ее конкретным конфигурации, размерам и материалу) для всех основных типоразмеров металлорежущего, литейного, кузнечно-прессового, термического и подъемно - транспортного
285
оборудования, применяемого в условиях единичного и мелкосерийного или крупносерийного и массового производств. Нормативы подсчитаны с учетом некоторых средних условий выполнения операций, наиболее характерных для данного типоразмера станка.
В табл. 10.1 приведены в качестве примера некоторые данные по элементам затрат на 1 ч работы станка, заимствованные из указанных выше нормативов [11].
В связи с тем что затраты на силовую энергию и режущий инструмент вычисляются пропорционально основному времени, а все Остальные элементы, входящие в формулу (10.14), определяются пропорционально общей продолжительности операции (т. е. 7Ш.К), при составлении нормативов учитывается средняя доля основного времени в общей норме времени, характерной для данного типоразмера станка при определенной серийности производства. Это дает возможность без большой погрешности находить технологическую себестоимость операции как произведение себестоимости станко-часа Сстанко-ч, взятой по нормативам, на общую трудоемкость операции Тш.к.
Расчет технологической себестоимости по стоимости станко-часа (или станко-минуты) сводится к определению по нормативным таблицам затрат по каждому из элементов себестоимости, приходящихся на один час (минуту) работы станка, суммированию этих затрат в соответствии с принятой для данного расчета структурой Технологической себестоимости и умножению полученной суммы на трудоемкость выполнения данной операции, т. е.
Ст ^'станко-ч^'ш-к»	(Ю.1О)
где Сстанко-Ч - СТОИМОСТЬ 1 СТЗНКО-Ч (при Сстанко-мпи СТОИМОСТЬ
1 станко-мин), определенная по нормативам как сумма стоимостей отдельных элементов; Тш.к — штучно-калькуляционное (для массового производства штучное) время сравниваемой операции в часах ИЛИ минутах (соответственно Сстаико-ч или Сставко-мин).
Способ определения технологической себестоимости по нормативам, как и всякий другой метод, основанный на средних данных, может иногда дать погрешность расчета, достигающую 15—20 % (по сравнению с результатами элементарного расчета по точным формулам). Однако для большинства случаев точность такого расчета является достаточной, поэтому он может быть рекомендован для широкого практического применения.
РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧНОСТИ ОБРАБОТКИ
С РАЗЛИЧНЫМИ ТОЧНОСТЬЮ И ШЕРОХОВАТОСТЬЮ ПОВЕРХНОСТИ
При повышении точности обработки возрастает сложность выполнения операции, что приводит к повышению разряда работы, увеличению ее трудоемкости, повышению требований к точности оборудования и к сохранению точности размеров и формы инструмента. Повышение требований к качеству поверхности во многих случаях также связано с необходимостью использования рабочих более вы
286
сокой квалификации и более совершенных станков. При этом обычно возникает задача подбора режимов резания, обеспечивающих достижение требуемой шероховатости поверхности (часто менее производительных, чем при получистовой обработке), и своевременной переточки режущего инструмента.
Сопоставление экономичности обработки по разным квалитетам точности и с различной шероховатостью может быть произведено прямым расчетом элементов затрат по формуле (10.14) и по упоминавшимся ранее формулам расчета отдельных элементов затрат с учетом изменения оборудования, квалификации рабочего и трудоемкости обработки. Несколько изменяется при этом только расчет затрат на режущий инструмент.
Затраты на режущий инструмент определяют по формуле
= 7\(Я + 1) Т°’	(10.16)
где Н — начальная (прейскурантная) стоимость инструмента; П — затраты на одну переточку инструмента; К — число переточек, допускаемое инструментом до его полного износа (принимается пб справочникам); Тт— стойкость режущего инструмента между двумя переточками, мин; То — основное время, мин.
При обычных расчетах экономичности обработки в формулу (10.16) вводится величина стойкости режущего инструмента по данным обычных справочников по резанию. Эта величина выражает продолжительность работы инструмента до определенной степени его затупления, которая характеризуется размерами площадки износа по задней поверхности инструмента. Однако величина площадки износа режущего инструмента непосредственно не связана ни с шероховатостью поверхности, обработанной данным инструментом, ни с его размерной стойкостью при заданном квалитете точности. В связи с этим расчет затрат на режущий инструмент на основе величины стойкости (определенной указанным методом) не учитывает изменений расхода инструмента при повышении требований к точности и качеству поверхности и является для этого случая непригодным.
Для работы технолога и проведения расчетов экономичности обработки с разными точностью и шероховатостью поверхности необходимо определять так называемую технологическую стойкость инструмента, в пределах которой обрабатываемая заготовка соответствует по точности размеров и шероховатости поверхностей требованиям, указанным в чертеже.
Технологической, стойкостью Тг называется продолжительность работы режущего инструмента, в пределах которой достигается требуемая точность заготовки или шероховатость ее поверхностей.
Технологическая стойкость может выражаться в минутах основного времени, в метрах пути резания или в количестве штук обработанных заготовок.
Из рис. 10.11, а следует, что при затуплении и износе режущего инструмента (например, развертки) размер обрабатываемой заготовки
287
изменяется, постепенно выходя за пределы допусков разных квали- тетов точности по Н6, Н7, Н8 и т. д. Соответственно технологическая стойкость инструмента по точности обработки Тт выражается вели-1 чинами «1, п2, п3 или Тт1, Тт2, Тт3. Одновременно с этим при затупле-нии режущего инструмента изменяется и шероховатость обработанной поверхности, выходя постепенно за пределы установленных значений шероховатости Rz в микрометрах, равных 1,6; 3,2; 6,3 и 12,5. Соответственно технологическая стойкость по шероховатости Т™р определяется величинами п“ер, П21ер. ^“e₽ или 7'^ер, T'z2pt Т^р (рис. 10.11, б).
При расчете затрат на режущий инструмент необходимо учиты- J вать технологическую стойкость и по точности, и по шероховатости^
Рис. 10.11
Определение технологической стойкости инструмента по точности (а) и шероховатости (й) обрабатываемой заготовки
поверхности путем введения в расчетную формулу (10.16) наименьшего ее значения. Так, например, при обработке отверстия по Н7 с шероховатостью Rz = 12,5 мкм следует принять' технологическую стойкость по точности Тт2 = п2 как меньшую по сравнению с технологической стойкостью по шероховатости Т%р — п“ер. И наоборот, при обработке отверстия с шероховатостью Rz = 3,2 мкм по Н8 в расчетную формулу (10.16) должна быть введена величина технологической стойкости по шероховатости 7^е₽ = шер
= Щ Р.
Значения технологической стойкости по точности и шерохова-
тости, установленные экспериментально для всех основных видов чистовой обработки, могут быть взяты из соответствующей технической! литературы.
Технологическая стойкость по шероховатости Тшер определяет продолжительность работы инструмента между его переточками исходя из условия обеспечения заданной шероховатости. Технологическая стойкость по точности при работе нерегулируемым мерным инструментом (разверткой, зенкером, протяжкой, концевыми пазовыми фрезами и т. п.) выражает общий срок службы инструмента данной точности.
При работе регулируемым инструментом или инструментом, точность обработки которым определяется настройкой станка (резцы), технологическая стойкость по точности определяет продолжительность работы инструмента между поднастройками станка или регулированием инструмента. В этом случае для расчета затрат на режущий инструмент в формулу (10.16) вводится технологическая стойкость по шероховатости независимо от того, меньше она или
288
больше стойкости по точности. Технологическая стойкость по точности при этом выражает продолжительность работы инструмента без поднастройки станка или без регулирования инструмента и служит для определения частоты необходимых поднастроек, обусловливающих дополнительные затраты времени на техническое обслуживание.
Так, например, если требуется обработать отверстие тонким растачиванием с точностью по Н6 и шероховатостью Rz — 6,3 мкм. то для определения затрат на режущий инструмент по формуле (10.16) устанавливается значение технологической стойкости по шероховатости Т^р, выражающее продолжительность работы резца между его переточками. Значительно меньшее значение технологической стойкости по точности Тт1 (рис. 10.11, а) дает возможность определить количество заготовок (или машинное время), обрабатываемых при одной настройке станка в пределах 6-го квалитета точности. Очевидно, что через каждый отрезок машинного времени 7'т1 должна быть произведена поднастройка станка, при которой размеры обрабатываемых изделий вновь вводятся в границы поля допуска 6-го квалитета точности.
При обработке заготовок по высоким квалитетам точности приходится считаться с погрешностью настройки станка, в результате влияния которой размеры первой изготовленной заготовки могут не совпадать с линией наибольшего предельного размера заготовки согласно ее чертежу. Это может привести к некоторому сужению фактического поля допуска, определяющего продолжительность работы инструмента по заданному квалитету точности в пределах одной настройки станка. В связи с этим при обработке заготовок по 5—т7-му квалитетам точности определение технологической стойкости инструмента по точности следует производить не по всему полю допуска соответствующего квалитета точности, а по полю допуска, уменьшенному на величину возможной погрешности настройки (или на величину допуска на изготовление мерного инструмента).
Затраты на режущий инструмент, установленные по формуле (10.16), в зависимости от технологической стойкости инструмента могут достигать в отдельных (правда, редких) случаях 30—40 % от всей технологической себестоимости обработки, определенной по формуле (10.14), что предопределяет решение вопроса об экономической целесообразности применения того или иного вида чистовой обработки заготовки.
Для упрощения расчетов при сопоставлении экономичности обработки с различными точностью и шероховатостью могут быть использованы упоминавшиеся ранее нормативы по стоимости станко-часа в сочетании с обязательным расчетом затрат на режущий инструмент по формуле (10.16) и с соответствующим определением технологической стойкости инструмента. В этом случае расчетная формула технологической себестоимости обработки приобретает
Ст = ЛТ’ш-к Ь Среж,	(10.17)
289
Щ Маталин А. А
где А — сумма затрат по всем элементам технологической себестоимости (кроме затрат на режущий инструмент), отнесенная к 1 мин работы станка.
Когда элементы затрат относятся в нормативах к 1 ч работы станка, величину А находят по формуле
а=(счв+с3ч.и+с:+с.+с:+с:+срч++сл+с:)/бо.
(10.18)
Элементы затрат, входящие в формулу (10.18), определяют прямым расчетом (как было указано ранее) или принимают по нормати-| вам стоимости 1 станко-ч из таблиц 111).
ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВАРИАНТА ПО ПРИВЕДЕННЫМ ЗАТРАТАМ
Оценка экономической эффективности вариантов по технологической себестоимости и производительности обработки в большинстве случаев бывает достаточно объективной, особенно когда затраты на технологическую оснастку и специальное оборудование этих вариантов различаются незначительно.
Когда один из сравниваемых вариантов предусматривает приобретение дорогостоящего специального оборудования или специализированной оснастки, сравнение экономичности вариантов только по технологической себестоимости и трудоемкости обработки может оказаться недостаточным. Высокопроизводительная оснастка и специальное оборудование в большинстве случаев обеспечивают меньшие затраты на обработку заготовки, поэтому сравнение по себестоимости и трудоемкости может оказаться в пользу варианта с большими капитальными вложениями. Тогда целесообразность дополнительных затрат на оснащение технологического процесса можно определить с помощью коэффициента экономической эффективности капитальных вложений
Е = (G — С2)/(/<2 - KJ,	(10.19)
где Ci, С2 —себестоимость годового выпуска заготовок по первому и второму вариантам, руб./год; Ki, К2 — капитальные затраты, связанные с осуществлением первого и второго вариантов технологического процесса, руб.
Коэффициент экономической эффективности капитальных вложений Е выражает годовую экономию на себестоимость заготовок, связанную с применением нового оборудования и оснастки, на 1 руб. капитальных вложений.
Для определения экономической целесообразности введения новой техники в различных отраслях промышленности установлен нормативный коэффициент экономической эффективности Ек, который определяет минимальную величину годовой экономии на себестоимости продукции на 1 руб. дополнительных капитальных затрат, достаточную для рационального использования капитальных средств в условиях данной отрасли производства в настоящее время. Для 290
„шиностроительной промышленности Е„ = 0,2 руб., в год на 1 руб. капитальных вложений.
Экономическая целесообразность дополнительных капитальных чожений может быть определена путем сравнения расчетного Е и нормативного Еп коэффициентов экономической эффективности согласно неравенству
Е = (С, - С2)/(К2 — Ен.	(10.20)
При сравнении экономичности различных вариантов вновь проектируемых технологических процессов, требующих значительных капитальных вложений, целесообразно подсчитать так называемые приведенные затраты
Зпр = СзаИ7 + Е1Л,	(10.21)
где Зпр — приведенные затраты на осуществление годового выпуска заготовок, руб.; Сзаг — себестоимость изготовления одной заготовки, руб./шт.; q — годовой выпуск заготовок, шт.; К — капитальные вложения на осуществление данного варианта технологического вращения, руб.
Из формулы (10.21) следует, что приведенные затраты складываются из себестоимости годового выпуска (Сааг9 = С) и нормативной годовой экономии, которая должна быть получена в данной отрасли промышленности при рациональном использовании капитальных вложений (ЕпК).
Таким образом, приведенные затраты позволяют установить экономическую целесообразность отвлечения капитальных средств от других объектов данной отрасли промышленности и использования их для осуществления проектируемого технологического процесса.
Приведенные затраты Зпр определяются для каждого (i) сравниваемого варианта. Лучшим признается вариант с минимальными приведенными затратами Зщ,^ Годовой экономический эффект от внедрения указанного лучшего варианта по сравнению с любым Другим определяется разностью приведенных затрат этих вариантов
*^год — t 3Пр mln.	(10.22)
Ю*
ЧАСТЬ Ц
ОСНОВЫ
ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАШИН
Глава 11
ПОСТРОЕНИЕ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ОПЕРАЦИЙ И ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ИХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
$ 11*1
КЛАССИФИКАЦИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И СТРУКТУРА ОПЕРАЦИЙ
КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
В зависимости от условий производства и назначения проектируемого технологического процесса применяются различные виды и формы технологических процессов. Вид технологического процесса определяется количеством изделий, охватываемых процессом (одно изделие, группа однотипных или разнотипных изделий).
Единичный технологический процесс — это технологический процесс изготовления или ремонта изделия одного наименования, типоразмера и исполнения независимо от типа производства (ГОСТ 3.1109—82). Разработка единичных технологических процессов характерна для оригинальных изделий (деталей, сборочных единиц), не имеющих общих конструктивных и технологических признаков с изделиями, ранее изготовленными на предприятии (в организации).
Унифицированный технологический процесс — это технологический процесс, относящийся к группе изделий (деталей, сборочных единиц), характеризующихся общностью конструктивных и технологических признаков. Унифицированные технологические процессы подразделяются на типовые и групповые.
Унифицированные технологические процессы находят широкое применение в мелкосерийном, серийном и частично в крупносерий-292
производствах. Применение унифицированных технологических H°MueccoB зависит от наличия специализированных участков, рабочих мест, переналаживаемой технологической оснастки и оборудования.	_
Типовой технологический процесс — это технологический процесс ъютовления группы изделий с общими конструктивными и технологическими признаками (ГОСТ 3.1109—82). Типовой технологический процесс характеризуется общностью содержания и последовательности большинства технологических операций и переходов ля группы таких изделий и применяется как информационная основа при разработке рабочего технологического процесса и как рабочий технологический процесс при наличии всей необходимой информации для изготовления детали, а также служит базой для разработки стандартов на типовые технологические процессы.
Групповой технологический процесс — это технологический процесс изготовления группы изделий с разными конструктивными, но общими технологическими признаками (ГОСТ 3.1109—82).
В соответствии с этим определением групповой технологический процесс представляет собой процесс обработки заготовок различной конфигурации, состоящий из комплекса групповых технологических операций, выполняемых на специализированных рабочих местах в последовательности технологического маршрута изготовления определенной группы изделий (ГОСТ 14.316—75). При этом под специализированным рабочим местом понимается рабочее место, которое предназначено для изготовления или ремонта одного изделия или группы изделий при общей наладке и отдельных подналадках в течение длительного интервала времени. Групповой технологический процесс может состоять также из одной групповой операции (однооперационный групповой технологический процесс).
Групповая технологическая операция характеризуется общностью используемого оборудования, технологической оснастки и наладки (при допущении только незначительной подналадки средств технического оснащения).
Групповые технологические процессы разрабатывают для всех типов производства только на уровне предприятия.
Перспективный технологический процесс — это технологический процесс, соответствующий современным достижениям науки и техники, методы и средства осуществления которого полностью или частично предстоит освоить на предприятии.
Рабочий технологический процесс — это технологический процесс, выполняемый по рабочей технологической и (или) конструкторской документации. Рабочий технологический процесс разрабатывают только на уровне предприятия и применяют для изготовления или ремонта конкретного предмета производства.
Проектный технологический процесс — это технологический процесс, выполняемый по предварительному проекту технологической доку ментации.
Временный технологический процесс — это технологический процесс, применяемый на предприятии в течение ограниченного периода
293
времени из-за отсутствия надлежащего оборудования или в связи с аварией до замены на более современный.
Стандартный технологический процесс — это технологический процесс, установленный стандартом. Под стандартным технологическим процессом понимается технологический процесс, выполняемый по рабочей технологической и (или) конструкторской документации, оформленный стандартом (ОСТ, СТП) и относящийся к конкретному оборудованию, режимам обработки и технологической оснастке.
Комплексный технологический процесс — это технологический процесс, в состав которого включаются не только технологические операции, но и операции перемещения, контроля и очистки обрабатываемых заготовок по ходу технологического процесса. Комплексные технологические процессы проектируются при создании автоматических линий и гибких автоматизированных производственных систем.
ОФОРМЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ Разработанные технологические процессы оформляются на соответствующих технологических документах, степень подробности которых устанавливается в зависимости от типа и характера производства, а также от сложности и точности обрабатываемых изделий. В соответствии с ГОСТ 3.1109—82 в технологической документации могут быть приняты приведенные ниже описания технологического процесса.
Маршрутное описание технологического процесса, при котором производится сокращенное описание всех технологических операций в маршрутной карте в последовательности их выполнения без указания переходов и технологических режимов. Маршрутное описание технологических процессов обычно используется в единичном, мелкосерийном и опытном производствах.
Операционное описание технологического процесса, при котором дается полное описание всех технологических операций в последовательности их выполнения с указанием переходов и технологических режимов. Операционное описание технологических процессов применяется в серийном и массовом производствах и для особо сложных деталей в мелкосерийном и даже в единичном.
Маршрутно-операционное описание технологического процесса, при котором дается сокращенное описание технологических операций в маршрутной карте в последовательности их выполнения с полным описанием отдельных операций в других технологических документах. Маршрутно-операционное описание рекомендуется к применению в серийном, мелкосерийном и опытном производствах, когда изготовляемое изделие включает в себя отдельные сложные и точные детали.
Различные виды технологических процессов представлены на схеме на рис. 11.1.
Выбор комплекта форм документов для технологического процесса производится в зависимости от типа и характера производства 294
видов разрабатываемых и применяемых технологических процессе В соответствии с табл. 11.1 производится выбор комплекта форм Технологической документации для используемого типа производства и вида технологического процесса.
В соответствии с установленным в ЕСТД положением маршрутная карта является документом общего назначения, т. е. в этом документе можно описать технологический процесс любых видов работ,
По унификации к
технологических процессов 9
По уровню достижений рауки и техники S технологических процессах
По стадии разработки, состоянию ТПП и стандартизации технологических процессов
По содержанию операций перемещений в технологических процессах
Виды технологических процесса!
Рис. 11.1
Схема классификации технологических процессов
в том числе и сборочных. В то же время маршрутная карта является обязательным документом. При маршрутном описании технологического процесса его технологические операции излагаются укруп-ненно, т. е. без указания переходов и технологических режимов.
В случае необходимости указания переходов и технологических режимов для осуществления технологического процесса механической обработки и сборки пользуются картами технологического процесса или операционными картами. При операционном описании технологического процесса в комплект документов входит также маршруТНая карта, являющаяся сводным документом.
КОНЦЕНТРАЦИЯ И ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ ОПЕРАЦИЙ
К числу важных вопросов построения технологических процессов, В большой мере связанных с типом и серийностью производства и с конкретными производственными условиями, относится вопрос ° степени концентрации или дифференциации операций.
Концентрацией (укрупнением) операций называется соединение нескольких простых технологических переходов в одну сложную
295
Таблица 11.1
03 Комплектность технологических документов в зависимости от различных типов производств и степени детализации описания технологического процесса
Крупносерн йное производство	Описание	операционное	• 1 1 О*ОООО			Примечание, о — документ обязательный; О — документ разрабатывается по усмотрению предприятия — разработчика документов.
		марш-рутно-операционное	• 1 I 0	0 1	000			
		маршрутное	• 1 1	1		1*0	00	
Серийное производство		операционное	• 1 1	•		I 0 О 0 о	
		марш-рутно-опера-цнонное	1 • 1	•		I 0 О 0 0	
		1 маршрутное	I • • I 0 0	0	0 0			
Единичное н мелкосерийное производство		операционное	1*0	•	00 О 00			
		марш-рутно-опера-ционное	1 • 1	• О 0 0 0 о			
		маршрутное	1*0 I		10	0	0 0	
эин •ЭЬВНЕОро ЭОН0О1ГОД			£ g Е	х ms & о 2 £	° * н * ШИ			
Номер ГОСТа			ГОСТ 3.1105—74 ГОСТ 3.1105—74	НЛ.1 д.140/ —/4 ГОСТ 3.1407—74 ГОСТ 3.1105—74 ГОСТ 3.1105—74 ГОСТ 3.1105—74 ГОСТ 3.1105—74 ГОСТ 3.1106—74		
Наименование		технологического документа	Маршрутная карта Маршрутная карта	Карта технологического процесса Операционная карта	г\арта эскизов Технологическая инструкция Комплектовочная карта Ведомость оснастки Ведомость технологических документов	
iufo Технологический процесс, построенный по принципу °'^нценп1рации операций, состоит из небольшого числа сложных ^Достоинства концентрации операций состоят в том, что она может ..щестзляться объединением в одной операции предварительных Черновых) и окончательных (чистовых) переходов, а также объединением в одной операции нескольких простых переходов, заменой нескольких установов позициями и простых одноинструментных переходов сложными совмещенными переходами с многоинструмент-ной и многолезвийной обработкой одной или нескольких поверхностей. При этом повышается: точность взаимного расположения поверхностей, обрабатываемых при одном установе; производительность обработки за счет совмещения во времени нескольких технологических переходов и соответствующего сокращения общего основного времени То; производительность за счет сокращения затрат вспомогательного времени (в первую очередь затрат времени на
установку и снятие заготовок, на смену инструмента, на включение и выключение станка), а также сокращается длительность производственного цикла (за счет уменьшения межоперационного пролежи-вания, связанного с уменьшением общего числа технологических операций), а следовательно, и объем незавершенного производства, что приводит к повышению оборачиваемости оборотных средств;
кроме того, упрощается календарное планирование производства.
При построении операций по принципу концентрации возрастают требования к точности и технологическим возможностям станков и к квалификации рабочих, так как в сложных концентрированных операциях рабочему высокой квалификации приходится выполнять как сложную чистовую обработку, так и предварительную обработку
на черновых переходах.
Дифференциацией (раздроблением) операций называется построение операций из небольшого числа простых технологических переходов. Технологический процесс, построенный по принципу дифференциации операций, состоит из большого числа простых операций.
В современном производстве используются оба названных принципа построения технологических процессов, которые выбираются технологами в зависимости от конкретных условий производства.
Достоинства дифференциации операций в первую очередь связаны с возможностью отделения сложной и точной чистовой обработки, требующей высокой квалификации рабочих и высокоточных станков, от предварительной неточной обработки, которая может быть осуществлена простейшими и высокопроизводительными способами на простых и дешевых станках рабочими средней квалификации.
Степень дифференциации зависит от серийности производства, 11 в условиях крупносерийного производства может стать экономически целесообразным построение технологического процесса из большого числа простейших операций, выполняемых в едином ритме на простых станках, связанных конвейером.
297
В условиях единичного и мелкосерийного производств обычно проектируются концентрированные операции, выполняемые высококвалифицированными рабочими.
В условиях крупносерийного и массового производств применяется дифференциация операций (конвейерные автоматические линии, состоящие из простых узкоспециализированных станков) и их концентрация на сложных многощпинделъных автоматах, обрабатывающих центрах, автоматизированных производственных системах, состоящих из станков с ЧПУ и обрабатывающих центров, управляемых от ЭВМ.
В условиях предприятий средней серийности концентрация операций осуществляется на станках с ЧПУ и быстропереналажива-емых агрегатных станках и автоматах, а принцип дифференциации используется на переменно-поточных линиях групповой обработки.
В условиях крупного и тяжелого машиностроения технологические процессы строятся в основном по принципу их концентрации, с применением переносных станков.
Выбор степени концентрации технологических операций (наиболее целесообразный для конкретных условий производства) осуществляется при назначении структуры операций, определяющей возможность совмещения во времени выполнения технологических и вспомогательных переходов и соответствующего снижения трудоемкости операций.
СТРУКТУРА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ [10]
Производительность технологических операций в значительной степени зависит от их структур, определяемых количеством заготовок, одновременно устанавливаемых в приспособлении или на станке (одно- или многоместная обработка), количеством инструментов, используемых при выполнении операции (одно- или многоинструментная обработка), и последовательностью работы инструментов при выполнении операции. Последовательное вступление инструментов в работу или последовательное расположение нескольких заготовок в приспособлении по направлению движения подачи характеризует структуру операции с последовательной обработкой. При параллельном расположении обрабатываемых заготовок в приспособлении (т. е. при их расположении перпендикулярно к направлению движения подачи) и при одновременной обработке нескольких поверхностей одной или нескольких заготовок формируется структура операции в параллельной обработкой. При многоместной обработке заготовок, расположенных в приспособлении в несколько рядов вдоль и поперек движения подачи, операция характеризуется как операция с параллельно-последовательной обработкой.
Одноместная и последовательная обработка одним (рис. П-2) или несколькими сменяемыми инструментами (рис. 11.3) не дает возможности совмещения основного времени обработки отдельных поверхностей и отдельных переходов, поэтому основное время То технологической операции, входящее в состав ее штучного времени 298
определяется суммой основных времен То всех переходов операции согласно формуле
To = gTot.	(11.1)
Вспомогательное время Тв при одноместной последовательной одноинструментной обработке (см. рис. 11.2) складывается: из вре-
Рис. 11.3
Схемы одноместной последовательной многоинструментной обработки сменяемым инструментом
< Рис. 11.2
Схемы одноместной последовательной одно-ннструмеитной обработки [/, 2 — номера ходов инструмента (а); /, 2, 3, 4 — последовательность положений сверла (г)]
мени на установку и снятие заготовки Тус, включающего в себя затраты времени на установку штучных заготовок в приспособлении и их смену, установку сменных приспособлений-дублеров или приспособлений-спутников в рабочие позиции (при обработке прутков 1 ус включает в себя затраты времени на разжим цанги, подачу пРУтка до упора и зажим цанги); из времени на управление стан-КОм Лп, которое включает в себя затраты времени на пуск и останов
299
станка, переключения скоростей и подач, изменение направления вращения шпинделей, перемещения суппортов, головок, кареток, а при обработке на станках с ЧПУ еще и из времени на индексацию Т'инд» состоящего из затрат времени на перемещение частей станка в новые и исходные позиции и фиксацию (см. рис. 11.2, г), поворот делительных устройств и кондукторов, перемещение заготовок на новые позиции. Вспомогательное время можно выразить формулой 7,в = 7’Ус + ТуП + Тичд.	(11.2)
При одноместной последовательной многоинструментной обработке сменяемым инструментом (рис. 11.3) время индексации Т1^ в формуле (11.2) обычно заменяется временем 7\ и, учитывающим затраты времени на смену инструмента при выполнении отдельных переходов операции (затраты времени на поворот резцовых или
Рис. 11.4
Схемы одноместной параллельной одноинструмеитной обработки фасонными инструментами (а, б) и наборами инструментов (в)
револьверных головок; замену сменных расточных борштанг, быстросменных кондукторных втулок и инструментов в быстросменном патроне сверлильного станка и т. п.).
При одноместной последовательной многоинструментальной обработке заготовок на станках типа «обрабатывающий центр» в состав вспомогательного времени входит как время индексации, так и время смены инструмента, поэтому формула для расчета вспомогательного времени приобретает вид
Т’в = Т’ус + Т’уп + Т’инд + Т’с.ц.	(11.3)
В тех случаях, когда время контрольных измерений обрабатываемой заготовки Тизм не может быть перекрыто основным временем выполнения операции, оно добавляется в формулах (11.2) и (11.3) отдельным слагаемым.
Во всех случаях одноместной параллельной обработки: одноместной одноинструмептальной обработки фасонными инструментами (рис. 11.4, а, б) или наборами инструментов (рис. 11.4, в); одноместной параллельной многоинструмеитной обработки (рис. 11.5); одноместной параллельно-последователь ной многоинструментной обработки (рис. 11.6) основное время выполнения отдельных пере-зоэ
ходов Tot совмещается и общая продолжительность основного времени То операции определяется длительностью То1 лимитирующего (т. е. наиболее продолжительного) перехода, перекрывающей длительность всех других переходов, и числом одновременно обрабатываемых заготовок Z.
При одноместной параллельной обработке
То = То1.	(11,4)
Вспомогательное время определяется по формуле (11.2).
Многоместные схемы обработки дают возможность совмещения как основного, так и вспомогательного времен, поэтому они обеспечивают достижение наивысшей производительности. Эти схемы
Рис. 11.5
Схемы одноместной параллельной мно* гоинструментной обработки
могут осуществляться в трех вариантах: 1) все обрабатываемые заготовки устанавливаются на станке одновременно и затем одновременно обрабатываются одним или несколькими инструментами (рис. 11.7; рис. 11.9; рис. 11.10, а)-, 2) заготовки или группы заготовок устанавливаются в свои приспособления независимо от других заготовок во время обработки последних и обрабатываются одновременно или последовательно (рис. 11.8; рис. 11.10, б, в); 3) обработка выполняется на непрерывно вращающемся столе или барабане при непрерывной смене обрабатываемых заготовок (рис. 11.11).
При многоместной параллельной многоинструментной обработке с одновременной установкой заготовок (см. рис. 11.9) затраты основного и вспомогательного времен распределяются между Z одновременно обрабатываемых заготовок и определяются из выражений]
To = Tol/Z-	(11.5)
TB = (Tye + Tya)/Z.	(11.6)
Многоместная последовательная обработка с одновременной установкой заготовок (см. рис. 11.7) не дает возможности совмещения
301
Рис. 11,6
Схемы одноместной параллельно-последовательной миогоинстру-ментиой обработки; а — на токарно-револьверном стайке с шести-позиционной головкой; в — ив сверлильном станке с последовательным перемещением миогошпиидельиой головки ь позиции 1—3; в — иа сверлильном станке комбинированным инструментом; г — иа токар-но-револьвериом станке с горизонтальной осью револьверной головкн
802
Рис. 11.7
Схемы многоместной последовательной одноинструмеит-ной обработки с одновременной установкой заготовок) а — обтачивание колец; б — сверление лачки тонких заготовок; в — фрезерование заготовок, установленных вдоль движения подачи; г — нарезание зуба шестерен
Рис. 11.8
Схемы многоместной последовательной одноинструментной обработки с раздельной установкой заготовок: а — обработка отверстий на вертикальном полуавтомате (/ — позиция загрузки и съема заготовок; 2 — позиция сверления малого отверстия; 3 — позиция сверления большого отверстия); б — маятниковое фрезерование (снятие обработанных и установка новых заготовок производится одновременно с фрезерованием иа движущемся столе)
₽ис. Ц.9
новкой мнОгоме<-тн°й параллельной миогоинструмеитиой обработки с одновременной уста-
303
основного времени обработки заготовок (как это имеет место при параллельной обработке), и основное время операции То определяется из выражения
п
To=%T0t/z, 1=1
. (11.7)
где Z — число последовательно обрабатываемых заготовок; Toi — основное время обработки каждой заготовки.
Рис. 11.10
Схемы многоместной параллельно-последовательной обработки с одновременной (а) и раздельной (<7, в) установкой заготовок: а — плоское шлифование заготовок; б — фрезерование на поворотном столе со сменой группы заготовок А во время обработки заготовок Б после возвращения стола в крайнее левое положение и его поворота иа 180° вокруг вертикальной оси; в — обработка иа вертикальном полуавтомате (/ — позиции загрузки; 2, 3 — позиции обработки заготовок)
Рис. 11.11
Схемы многоместной ларал-лельио-последовательиой обработки с непрерывной сменой заготовок: а — непрерывное фрезерование; б — фрезерование торцов валиков
Следует отметить, что основное время операции То, определенное для многоместной последовательной обработки по формуле (11.7), может оказаться значительно меньше аналогичного времени при одноместной обработке тех же заготовок в связи с существенным сокращением затрат времени на врезание и перебег инструмента, входящего в значение Tot.
Вспомогательное время в этом случае также определяется по формуле (11.6).
Многоместная последовательная обработка с раздельной установкой заготовок (см. рис. 11.8) позволяет совмещать время установки заготовок с основным временем, значительно сокращая вспо-304
могательное время, величина которого может быть определена по формуле Тв = Туп или (в необходимых случаях)
Тв = ТупТпнд.	(11.8)
Основное время То определяется так же, как и при одноместной обработке.
Многоместная параллельно-последовательная обработка с раздельной установкой заготовок (см. рис. 11.10) не только дает возможность совмещать время установки заготовок с основным временем, сокращая общие затраты вспомогательного времени, но и позволяет осуществить частичное совмещение основного времени переходов. В этом случае общее основное время То определяется продолжительностью То; неперекрываемого (лимитирующего) перехода и числом одновременно обрабатываемых заготовок
Tb = Tol/Z.	(11.9)
Затраты вспомогательного времени в свою очередь сокращаются пропорционально числу одновременно обрабатываемых заготовок
7,B = (7’yD + Tl!M)/Z.	(11.10)
Многоместная параллельно-последовательная обработка с непрерывной установкой и сменой обрабатываемых заготовок на станке (рис. 11.11) обеспечивает наивысшую производительность обработки, так как дает возможность осуществить полное совмещение и перекрытие вспомогательного времени основным, поэтому в , данном случае Тв = 0. Основное время в этом случае определяется делением времени одного оборота стола или барабана на число установленных на нем заготовок. Многоместная обработка с непрерывной сменой обрабатываемых заготовок в большинстве случаев осуществляется как параллельно-последовательная, однако иногда (при определенных конфигурации и размерах заготовок) она может быть построена при последовательной обработке заготовок. Наиболее удобно осуществлять непрерывную смену заготовок при их установке на вращающихся столах и барабанах с вертикальной или горизонтальной осью вращения, однако в отдельных случаях обработки находят применение и другие конструкции (например, с цепными устройствами и т. п.).
Для количественной оценки принятой структуры операции может быть определен коэффициент совмещения основного времени опера-ции Кс.о по формуле
/ п
Кс.о = То 2 То1,	(11.11)
/ 1=1
числитель которой — То — представляет собой основное непере-крываемое время операции, входящее в состав ее штучного времени, п
а знаменатель ^Toi выражает сумму всех элементов основного временн, совмещенных и несовмещенных переходов операции. Вели
чина Кс. 0 изменяется в пределах от 0 до 1. При отсутствии совмещения переходов Кс. 0 = 1- При повышении степени совмещения коэффициент совмещения основного времени снижается [10 J.
$ 11.2
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ И ИХ УТОЧНЕНИЕ
При проектировании технологического процесса механической обработки исходными данными являются размер и срок выполнения программного задания, чертежи и технические условия на изготовление и приемку изделия, чертеж исходной заготовки.
При проектировании технологических процессов для действующих предприятий технолог должен учитывать общую производственную обстановку (состав и степень загрузки оборудования, возможности обеспечения инструментами и приспособлениями, обеспеченность предприятия квалифицированной рабочей силой и т. п.), а также должен располагать нормативными, справочными и руководящими материалами и каталогами оборудования и технологической оснастки.
РАЗМЕР ПРОГРАММНОГО ЗАДАНИЯ
Размер программного задания зависит от установленного объема выпуска изделий, т. е. от количества изделий определенных наименования, типоразмера и исполнения, изготовляемых или ремонтируемых объединением или его подразделением в течение планируемого интервала времени (ГОСТ 14.004—83). Этот ГОСТ определяет тип предполагаемого производства и дает возможность установить целесообразный вид технологического процесса с проведением необходимых расчетов экономической эффективности вариантов технологической оснастки и специального оборудования.
В условиях массового и серийного производств размер программного задания служит основой для установления такта или ритма выпуска продукции, обеспечивающего выполнение производственной программы в заданный срок.
Такт выпуска Т (мин/шт.) представляет собой интервал времени, через который периодически производится выпуск изделий или заготовок определенных наименования, типоразмера и исполнения (ГОСТ 3.1109—82), т. е.
Т — F/Q,	(11.12)
где F — годовой фонд времени станка (линии) с учетом простоев по причинам сменности, выходных дней, ремонта и т. п., мин; Q — размер годового задания, шт.
Ритм выпуска — количество изделий или заготовок определенных наименования, типоразмера и исполнения, выпускаемых в еди-306
ницу времени (ГОСТ 3.1109—82). Из определения следует, что ритм выпуска представляет собой обратную величину такта.
При проектировании технологического процесса желательно добиться его построения из одинаковых или кратных по трудоемкости операций с продолжительностью цикла, равной или кратной такту выпуска изделий. В этом случае возможна и целесообразна обработка заготовок на поточной линии.
Цикл технологической операции — это интервал календарного времени от начала до конца периодически повторяющейся технологической операции независимо от числа одновременно изготовляемых изделий.
Если при установленном такте выпуска станки, на которых обрабатывают заготовки по данному технологическому процессу, оказываются полностью загруженными, то производство организуется по принципу массового, т. е. с закреплением рабочих мест за одними и теми же операциями. Если же размер программного задания такой постоянной загрузки станков не обеспечивает, то производство организуется по принципу серийного с созданием переменно-поточных линий. Применительно к условиям каждого из указанных случаев строится технологический процесс обработки заготовок и разрабатываются его отдельные операции.
ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ОТРАБОТКА ЧЕРТЕЖА ОБРАБАТЫВАЕМОЙ ДЕТАЛИ
В соответствии с ГОСТ 14.301—83 разработка технологических процессов производится для изготовления изделий, конструкции которых отработаны на технологичность. Отработка конструкции изделия на технологичность направлена на повышение производительности труда, снижение затрат и сокращение времени на проектирование, технологическую подготовку производства (ТПП), изготовление, техническое обслуживание и ремонт изделия при обеспечении необходимого качества изделия (ГОСТ 14.201—73).
Чертежи и технические условия на изготовление и приемку изделий поступают к технологу от конструкторов основного производства в качестве обязательных для выполнения документов. Однако во многих случаях технолог может и обязан подвергнуть эти чертежи анализу с точки зрения удобства изготовления деталей и возможности построения наиболее производительных и экономичных технологических процессов, т. е. с точки зрения технологичности конструкции.
Конструкция изделия может быть признана технологичной, если она обеспечивает простое и экономичное изготовление этого изделия. Повышение технологичности конструкции изделия предусматривает проведение комплекса различных мероприятий, в числе которых необходимо отметить приведенные ниже.
1.	Уменьшение общего количества звеньев в кинематической схеме машины. Уменьшение трудоемкости изготовления машины
307
при этом достигается не только за счет сокращения числа ее деталей (что само по себе видно, так как трудоемкость обычно пропорциональна числу деталей) и упрощения сборки, но также благодаря снижению требований к точности деталей, входящих в расчетные размерные цепи машины, и к точности обработки присоединительных поверхностей этих деталей.
2.	Создание конфигурации деталей и подбор их материалов, позволяющих применение наиболее совершенных исходных заготовок, сокращающих объем механической обработки (точное и кокильное литье, литье под давлением, горячая цветная прессовка и объемная штамповка, холодная штамповка различных видов и т. п.).
Так, например, с целью сокращения трудоемкости обработки и экономии металла конструкция крышки держателя (рис. 11.12, а) заменена новой (рис. 11.12, б), позволяющей изготовлять ее из исходной заготовки, полученной путем штамповки-вытяжки с вырубкой контура. Трудоемкая обработка прежней конструкции производилась из индивидуальной исходной заготовки, имеющей вид диска диаметром 140 X 20 мм. После предварительной обработки в механическом цехе заготовка вторично поступала в штамповочный цех для вырубки контура, а затем возвращалась в механический для окончательной обработки. Новая конструкция позволяет подвергать исходную заготовку минимальной механической обработке.
Изменение конструкции в четыре раза снизило трудоемкость механической обработки (с 41,6 до 10 мин) и в два раза уменьшило общую трудоемкость изготовления детали (с 41,6 до 20,7 мин). Расход металла сократился в три раза (с 1,0 до 0,33 кг на одну деталь). Устранены организационные трудности и излишнее пролеживание заготовок, связанное с их дополнительным транспортированием в другой цех, что сократило общий цикл изготовления детали.
Важным резервом повышения првизводительности обработки является изменение и упрощение конфигурации деталей с целью 308
унификации режущего инструмента и создания более благоприятных условий его работы, а также для облегчения и уменьшения объема механической обработки. Примеры подобных изменений опубликованы в многочисленных руководствах по конструированию и других изделий [101.
3.	Простановка размеров в чертежах с учетом требований их механической обработки и сборки, позволяющая выполнять обработку по принципу автоматического получения размеров на настроенных станках, автоматах и полуавтоматах и обеспечивать совмещение конструкторских, измерительных и технологических баз.
В примерах, приведенных на рис. 11.13, а, показана неправильная простановка размеров, требующая выполнения лишних операций, а на рис. 11.13, б, — правильная, при которой процесс обработки сокращается до двух операций. Обработка этих заготовок ведется из прутка и начинается с правой стороны. Простановка размеров согласно рис. 11.13, а требует для получения чертежных размеров А2, А3, Л4, Л5, Ав и введения дополнительной операции — подрезания торца.
При простановке размеров на детали, имеющей как обработанные, так и необработанные поверхности, особенно важно учитывать
последовательность образования отдельных поверхностей заготовок. Черные необработанные поверхности появляются на заготовке раньше обработанных, поэтому система всех необработанных поверхностей должна быть связана соответствующими размерами. При первой операции механической обработки одна из необработанных поверхностей используется в качестве черновой базы и от нее проставляется размер до обрабатываемой поверхности, которая в процессе дальнейших операций механической обработки обычно является базирующей.
При обработке остальных поверхностей выдерживаются размеры от первой обработанной поверхности, обычно служащей технологической базой, или в случае смены технологических баз от одной
309
из ранее обработанных поверхностей, используемых в процессе данной операции в качестве технологической базы.
Таким образом, размер, проставленный от черновой базы, связывает систему обработанных поверхностей детали с системой необработанных. Следовательно, при проектировании детали необходимо связать размерами все необработанные поверхности, затем проставить размер между одной из необработанных поверхностей, используемой в качестве черновой базы, и обрабатываемой поверхностью, которая в дальнейшем будет служить технологической базой при обработке остальных поверхностей детали. Остальные размеры должны связать между собой обработанные поверхности.
Рис. 11.14 Простановка размеров на чертежах штампованных заготовок
На рис. 11.14, а, в показана неправильная простановка размеров, когда одна обработанная поверхность оказывается связанной одновременно с несколькими необработанными (размеры 28, 30, 70 и 85 мм на рис. 11.14, а) или когда две связанные друг с другом размером 310 мм обработанные поверхности одновременно привязаны размерами 15 и 50 мм к соответствующим необработанным поверхностям (рис. 11.14, в). На рис. 11.14, б, г представлена правильная простановка размеров, учитывающая принцип использования черновой базы и необходимость связи одним размером систем обработанных и необработанных поверхностей. Для рис. 11.14, б связывающим является размер 30 мм, а для рис. 11.14, г — 15 мм.
Целесообразная последовательность операций обработки отдельных поверхностей должна учитываться не только при простановке размеров на детали, имеющие необработанные поверхности, но также должна приниматься во внимание и при проектировании деталей, участки которых значительно отличаются по точности и шероховатости, а следовательно, изготовляются различными видами обработки.
310
На рис. 11.15 приведен чертеж зубчатого колеса, торцы которого должны быть обработаны с шероховатостью в пределах Rz = 3,2 мкм, что достигается путем шлифования.
Простановка размеров, приведенная на рис. 11.15, а, пригодна для токарной обработки без учета операции шлифования торцов и требует при изготовлении детали установления жестких промежуточных технологических допусков, удорожающих и затрудняющих обработку. Простановка размеров, показанных на рис. 11.15, б, является более правильной, учитывающей необходимость выделения операции шлифования. Обработку заготовок начинают с левого конца. После первой токарной операции получают размеры 50,
Рис. 11.15
Простановка размеров на чертежах зубчатого, колеса
105, 130 мм окончательно и размер 250 мм предварительно с припуском на шлифование торца. При второй токарной операции выдерживают окончательные размеры 490, 105, 120 мм и технологический размер от правого торца до торца шестерни с припуском на шлифование последнего. В процессе третьей операции производят шлифование диаметра и левого торца до получения размера 250/il4, а в процессе четвертой — шлифование диаметра и второго торца до размера 60/i8.
4.	Упрощение конфигурации отдельных деталей, предельно возможное расширение допусков на изготовление и снижение требований к шероховатости обрабатываемых поверхностей с целью уменьшения объема и облегчения механической обработки.
5.	Создание конфигурации деталей, позволяющей применение наиболее совершенных и производительных методов механической обработки (обработка многорезцовым, фасонным и многолезвийным инструментом, накатывание и вихревое нарезание резьбы, применение агрегатных и специальных станков и автоматов, поточных и автоматических линий).
6.	Проведение нормализации и унификации деталей и сборочных единиц выпускаемых изделий, являющихся предпосылками типизации технологических процессов, унификации режущего и мерительного инструмента, а также внедрения групповой обработки.
7.	Создание конструкции изделия, позволяющей проведение операционной сборки по принципам полной или частичной
311
взаимозаменяемости, что является одним из основных условий организации поточной сборки.
Осуществление указанных мероприятий представляет собой сложную задачу, решение которой требует глубокого анализа конструкции изделия и технологии производства.
Вследствие того что проведение отдельных из перечисленных мероприятий может противоречить остальным (так, например, стремление к созданию конструкции, состоящей из минимального количества взаимозаменяемых деталей, может пойти в разрез с принципом конструирования наиболее простых деталей, имеющих предельно широкие допуски), окончательное решение вопроса о наиболее технологичной конструкции изделия должно приниматься с учетом общей экономичности изготовления изделия в целом для завода. При этом должны приниматься во внимание и организационные вопросы, связанные с изготовлением рассматриваемой конструкции изделия, которые могут способствовать выпуску или затруднить его (вопросы межцеховой или межзаводской кооперации, загрузки определенных видов оборудования, возможности пополнения станочного парка, получения определенных исходных заготовок и т. д.).
Из сказанного следует, что понятие технологичности конструкции по существу не может быть абсолютным, что оно меняется вместе с развитием производства и технологии и для разных типов производства и даже для различных по характеру и уровню технологии предприятий, принадлежащих к одному типу производства, это понятие неодинаково. Так, например, на предприятиях единичного производства, применяющих станки с ЧПУ, требования к технологичности конструкции отличаются от требований, предъявляемых к таким же деталям, обрабатываемым на универсальных станках. С развитием технологии производства требования к технологичности конструкции изменяются, поэтому само представление о технологичности со временем также претерпевает изменения.
Технологичность конструкции может быть объективно оценена путем расчета количественных показателей технологичности по ГОСТ 14.201—83, ГОСТ 14.204—73.
Изложенное выше показывает, что конструкторская и технологическая подготовки производства тесно взаимосвязаны. Требования конструкции изделия и его чертеж в значительной мере определяют содержание технологического процесса, его построение, применяемые виды обработки, оборудование и инструменты. С другой стороны, принятая технология производства предъявляет свои требования к конструкции изготовляемого изделия, к ее технологичности, что делает необходимым проведение большой по объему и сложной совместной работы технолога и конструктора.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЧЕРТЕЖА ИСХОДНОЙ ЗАГОТОВКИ
Чертеж исходной заготовки связывает работу заготовительного и механического цехов, являясь для первого чертежом готового изделия, а для второго — исходным документом для построения процесса 312
обработки заготовки. Поэтому в нормальных производственных словиях чертеж исходной заготовки представляет собой результат совместной работы технологов заготовительного и механического цехов. В наиболее сложных случаях (при проектировании сложных деталей, имеющих необрабатываемые поверхности) в этой работе
принимает участие конструктор основного производства, т. е. кон-
структор изделия.
Выбор методов получения исходных заготовок оказывает большое влияние на решение важной народно-хозяйственной задачи экономии металла. Несмотря на то что по выплавке стали и чугуна СССР в настоящее время занимает первое место в мире, быстро развивающееся народное хозяйство страны требует дальнейшего увеличения поставок металла. Это остро ставит проблему экономии металла и снижения его не
Таблица 11.2
Коэффициент использования и потери металла при получении отливок средних размеров в условиях станкостроения [II]
Материал	Коэффициент использования	Потерн металла при получении отливки, %
Серый чугун	0,65	35
Высокопрочный чу-	0,55	45
гун		
Ковкий чугун	0,46	54
Углеродистая сталь	0,56	44
Легированная сталь	0,52	48
производительных потерь.
При выборе методов получения исходных заготовок следует учитывать потери металла, связанные с этими методами. Как показывают данные табл. 11.2, при получении отливок из различных материалов потери металла составляют 35 — 54%, а при изготовлении исходных заготовок методами пластического деформирования эти потери изменяются в пределах от 5 до 37 % (табл. 11.3).
Таблица 11.3
Коэффициент использования и потери металла при изготовлении поковок из разных исходных заготовок [11]
Способ изготовления 1 поковок	Тип производства	Исходная заготовка	Коэффициент использования металла	Потери металла, %
Свободная ковка на молотах	Единичное и мелкосерийное	Слитки Прокат	0,63-0,71 0,67—0,83	29-37 17-33
Свободная ковка на прессах		Слитки	0,67-0,8	20-33
Свободная ковка на молотах с подкладными штампами		Прокат	0,78—0,91	9-22
Штамповка на молотах	Крупносерийное и массовое	Прокат	0,74—0,87	13-26
Штамповка на горизонтально-ковочных машинах		Прокат	0,87—0,95	5—13
313
Отходы металла в стружку в процентах при последующей обработке заготовок резанием, в свою очередь, зависят от метода получения исходной заготовки; эта зависимость поиводится ниже.
Стальной прокат	(пруток;.........................30—50
Поковки........................................30—45
Штампованные поковки............................ 10—30
Стальное литье.................................15—25
Чугунное литье: в песчаные формы ............................ 15—20
в оболочковые	формы......................... 10—15
Цветное литье: в кокиль .................................... 10—12
под давлением	........................... 7—10
Эти отходы в сфружку частично уменьшаются при ее переплавке, однако на практике значительная часть стружки теряется при окислении в процессе резания и при дальнейшем ее хранении и транспортировании; при угаре металла в процессе переплавки стружки, достигающем 20 % металла, а также в связи с выгоранием летучих окислов тугоплавких металлов (хрома, вольфрама, молибдена, никеля и др.) в легированных сталях. Эти потери увеличиваются по различным организационным причинам.
Общие потери металла при изготовлении деталей в значительной мере зависят от конфигурации изделий (табл. 11.4), от точности размеров и формы, а также от шероховатости поверхности исходных заготовок, так как все эти параметры непосредственно влияют на величину припусков на механическую обработку [см. формулы (9.4) и (9.7)1.
Данные табл. 11.4 показывают, что в процессе получения поковок на молотах коэффициент использования металла составляет в среднем всего 0,77, а на прессах — 0,82, т. е. средние потери металла достигают 20 %.
При дальнейшей обработке поковок резанием коэффициент использования металла в среднем составляет 0.66 (для поковок, полученных на молотах) и 0,7 (для поковок, полученных на прессах), т. е. дополнительные потери металла в стружку в среднем составляют при обработке поковок 30--34 %.
Таким образом, в процессе получения исходной заготовки на штамповочных молотах и прессах и последующей ее обработки резанием общие потери металла могут достигать 40—50 %.
При использовании нормального проката отходы металла в стружку особенно велики в связи с потерями металла при разрезке прутков, при неправильной форме прутков [см. составляющую Z2 формулы (9.6) для расчета припусков] и в связи с тем, что форма готовой детали часто значительно отличается от простой формы цилиндра прутка. В условиях массового производства находит применение специальный прокат, форма которого максимально приближена к форме изделия и требует минимальной обработки резанием. Отходы металла в стружку при этом снижаются до 5— 10 %.
314
Таблица 11.4
Использование металла при изготовлении стальных поковок на штамповочных молотах и кривошипных горячештамповочных прессах и при их последующей механической обработке [11]
Повышение точности заготовительных производств (обработка давлением, литьем, получение заготовок из гранул, порошков и отходов металлообработки — стружки) привело к появлению и все более широкому распространению безотходной технологии, которая обеспечивает максимально возможное использование исходного материала. Например, при изготовлении в серийном производстве корпусов потенциометров из алюминиевого сплава применяется такая технология: рубка трубы на штучные заготовки, отжиг, холодная раскатка на торцераскатных автоматах, в процессе которой происходит формирование внутренней поверхности с уступом и одновременная калибровка наружного диаметра по 6-му и 7-му квалитета м.
Себестоимость исходных заготовок, полученных разными методами, колеблется в широких пределах. Значения в процентах себестоимости различных видов заготовок средней сложности из углеродистой стали массой 10—20 кг приводятся ниже [11 ].
Поковки	тел вращения на штамповочных молотах . . . 100
Горячая	штамповка............................... 156
Отливка	(сталь)................................. 280
Отливка	(серый чугун) .......................... 177
При изготовлении крупных и сложных изделий находят применение комбинированные заготовки, состоящие из ряда простых элементов, получаемых прогрессивными методами и соединяемых сваркой или пайкой. Так, например, соединяются точные механически обработанные элементы (в том числе поковки) с элементами, штампованными из листа, или отливки соединяются со штампованными элементами; иногда штампованные или обработанные заготовки заливаются в одной сложной форме (станины тяжелых станков, корпуса низкого давления паровых турбин, рамы двигателей внутреннего сгорания, диафрагмы паровых турбин и т. п.).
Применение комбинированных (штампосварных) и других заготовок значительно уменьшает расход металла, уменьшает массу готовых изделий, на 20—40 % снижает объем механической обработки и повышает качество изделий, так как дает возможность выполнять наиболее нагруженные элементы из высокопрочной легированной стг пи.
Выбор метода получения исходных заготовок в значительной степени определяется размерами программного задания и техническими возможностями заготовительных цехов предприятия, а также возможностями получения прогрессивных исходных заготовок от специализированных предприятий (метизные заводы, центролиты и т. п.). Применение прогрессивных исходных заготовок с малыми припусками на механическую обработку во всех случаях снижает трудоемкость и себестоимость последней, однако дополнительные затраты на оснащение заготовительных цехов окупаются только при достаточных размерах программного задания.
На рис. 11,16 и 11.17 показаны конфигурация и зависимость себестоимости исходной заготовки для одновенцового зубчатого 316
колеса от размеров программного задания, а на рис. 11.18 — конфигурация и зависимость себестоимости исходной заготовки для поводка от способа изготовления и размера партии. Подобные зависимости позволяют установить экономически целесообразные для заготовительных цехов пределы применения различных способов получения исходных заготовок.
Однако следует иметь в виду, что себестоимость изготовления детали определяется суммой затрат на исходную заготовку и ее
Рис. 11.16
Исходная заготовка зубчатого колеса, полученная путем свободной ковки (а), штамповки в подкладных штампах (б) и штамповки в закрепленных штампах (в)
Рис. 11.17
Зависимость себестоимости С исходной заготовки зубчатого колеса от размеров программного задания:
1 — свободная ковка; 2 — штамповка в подкладных штампах; 3 — штамповка в закрепленных штампах; 4 — штамповка в закрепленных штампах на кривошипном прессе
250 500 750 10001250 1500 1750
Выпуск деталей, шт.
механическую обработку, поэтому в конечном счете важно обеспечить снижение всей суммы, а не одной из ее составляющих (при малых
размерах программного задания снижение затрат на механическую обработку прогрессивных исходных заготовок может сопровождаться увеличением затрат на получение исходных заготовок, что приведет к росту общих расходов). Если учесть дополнительную экономию при механической обработке прогрессивных исходных заготовок с малыми припусками, то границы экономичного применения этих методов, установленные на рис. 11.17 и 11.18, сдвинутся влево, т. е. в сторону уменьшения размеров выпуска.
На рис. 11.19 приведены данные о себестоимости изготовления эксцентрикового пальца из прутка и из индивидуальной исходной заготовки, позволяющие достаточно точно определить границы Целесообразного применения указанных видов исходных заготовок с учетом затрат заготовительного и механического цехов.
Создание конструкций деталей, позволяющих механическую обработку резанием заменить штамповкой или высадкой, всегда приводит к значительному снижению трудоемкости и уменьшению расхода металла. При изготовлении методом холодной высадки исходных заготовок деталей, например болтов с шестигранной
317
головкой, отходы металла в 25 раз меньше, чем при их изготовлении на металлорежущих станках.
Для ответственных деталей в настоящее время часто используют исходные заготовки, полученные горячей (объемной) штамповкой
Рис. 11.18
Исходная заготовка поводка (а) и зависимость себестоимости от способа ее изготовления, а также от размера партии (Д')
Рис. 11.19
Зависимость себестоимости изготовления экс- > центрикового пальца из прутка (а) и индивидуальной исходной заготовки (ff):
1 — стоимость материала; 2 — зарплата при ковке в штампах; 3 — накладные расходы при ковке; 4 — зарплата при механической обработке; 5 — накладные расходы прн механической обработке; 6 — стоимость-штампа (рентабельное изготовление из прутка А и нз штампованной заготовки Б)
и литьем. Если по условиям производства оба вида исходных заготовок можно применять для рассматриваемой детали, то следует
учитывать, что в среднем трудоемкость обработки литых исходных заготовок на 15—30 % ниже штампованных. Литые коленчатые валы
Таблица 11.5
Технико-экономические показатели изготовления исходных заготовок турбинных лопаток точным литьем и штамповкой
Показатель	Штампе-ванн ая заготовка	Литая заготовка
Масса исходной заготовки, кг Отходы в стружку, кг Количество операций механической обработки Количество операций ручной обработки Количество- режущего инструмента, шт.; нормального специального	1,5 1,0 83 13 66 54	0,5 0,05 25 6 15 15
(чугунные) для двигателей внутреннего сгорания, компрессоров и автомобилей в настоящее время изготовляют длиной от 250 мм до 6 м с шейками диаметром 20—400 мм и массой 10— 4500 кг. Стоимость литых чугунных валов в три-четыре раза ниже стоимости стальных за счет уменьшения расхода материалов и трудоемкости механической обработки. Недостатками чугунных литых валов являются
318
сравнительная трудность обеспечения единообразия механических свойств в различных заготовках валов и возможность образования в них внутренних дефектов.
Применение литых исходных заготовок турбинных лопаток позволяет существенно сократить отходы металла в стружку и снизить трудоемкость механической обработки (табл. 11.5).
При изготовлении направляющих лопаток осевого компрессора методом точного литья вместо ковки количество операций механической обработки уменьшилось с 25 до 12, при этом трудоемкость сократилась на 76 %, а себестоимость — на 69 %.
Чертеж исходной заготовки отличается от чертежа готовой детали тем, что на всех поверхностях, обрабатываемых резанием, предусматриваются припуски, соответственно изменяющие размеры и форму заготовок.
Назначение общих и операционных припусков на обработку заготовок представляет собой сложную технико-экономическую задачу, методика решения которой подробно рассмотрена в гл. 9.
Глава 12
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ЕДИНИЧНЫХ И УНИФИЦИРОВАННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЕДИНИЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
ИЗУЧЕНИЕ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ И ОБЩЕЙ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ ОБСТАНОВКИ
Проектирование технологических процессов механической обработки начинается с тщательного изучения исходных данных проектирования: сборочного и рабочего чертежей изделия с соответствующими техническими условиями изготовления детали, чертежа исходной заготовки и размеров программного задания. Изучаются и такие дополнительные условия проектирования, как наличие или отсутствие оборудования, на котором предполагается осуществить изготовление проектируемого изделия; возможности модернизации оборудования; наличие производственных площадей для расширения производства; возможности применения совершенных видов исходных заготовок, прогрессивного инструмента и приспособлений и т. п.
По величине программного задания и размерам производственной партии определяются коэффициент закрепления операций, тип и серийность производства и необходимые такт и ритм обработки заготовок.
319
После этого (в условиях серийного и единичного производств) по технологическим классификаторам заготовок, обрабатываемых на данном предприятии (в цехе), анализируется возможность изготовления данной заготовки по существующим на предприятии типовым или групповым технологическим процессам или на действующих групповых переменно-поточных или автоматических линиях.
При отсутствии возможности использования существующих на предприятии унифицированных технологических процессов после проведения указанной подготовительной работы технолог приступает к непосредственному проектированию технологических процессов.
Проектирование технологических процессов представляет собой сложную многовариантную задачу, правильное решение которой требует проведения ряда расчетов. При проектировании процессов обработки сложных и ответственных заготовок составляется несколько возможных вариантов обработки, окончательный выбор которых производится на основании расчетов и сопоставления достигаемых точности, трудоемкости, выражаемой нормой штучно-калькуляционного времени Тш.к, технологической себестоимости Ст и срока окупаемости капитальных затрат.
Такое сопоставление производится как по важнейшим технологическим операциям, так и по всему технологическому процессу в целом.
В начале проектирования технолог предварительно устанавливает виды обработки отдельных поверхностей заготовки и методы достижения их точности, соответствующие требованиям чертежа и серийности производства и существующего на предприятии оборудования. После этого производится назначение технологических баз на все предполагаемые операции обработки.
Одновременно с этим разрабатывается последовательность операций, т. е. технологический маршрут обработки заготовки, При низкой точности исходных заготовок технологический процесс начинается с черновой обработки поверхностей, имеющих наибольшие припуски. При этом в самую первую очередь снимается припуск с тех поверхностей, на которых возможны литейные раковины, трещины и другие дефекты, с целью скорейшего отсеивания возможного брака или устранения обнаруженных дефектов заваркой, наплавлением металла и т. п, Дальнейший маршрут строится по принципу обработки сначала более грубых и затем более точных поверхностей. Наиболее точные поверхности обрабатываются последними. В конце маршрута выполняются второстепенные операции (сверление мелких отверстий, нарезание крепежных резьб, прорезка пазов, снятие фасок и заусенцев). Наиболее легко повреждаемые поверхности (наружные резьбы, особо точные шлифованные и доведенные поверхности) обрабатываются в заключительной стадии технологического процесса.
Ответственные и сложные корпусные заготовки часто обрабатываются с разделением технологического процесса на стадии черновой и чистовой обработки. На первой стадии снимаются основные 320
припуски на обработку; в результате этого возникают погрешности заготовки, связанные с перераспределением внутренних напряжений исходных заготовок и влиянием остаточных напряжений, вызванных черновой механической обработкой. В наиболее ответственных случаях после черновых операций проводится дополнительная термическая обработка заготовок (отжиг или нормализация), способствующая более полному протеканию деформаций и релаксации (снятию) остаточных напряжений.
На второй стадии обработки (при чистовых операциях) устраняются погрешности, возникшие при черновой обработке, и обеспечивается достижение требуемых точности обработки, шероховатости и предписанного чертежом состояния поверхностного слоя.
При обработке сравнительно небольших поверхностей достаточно жестких заготовок удается избежать дифференциации операций на черновые и чистовые и технологический процесс строится по принципу концентрации операций. В этом случае первые операции стремятся построить наиболее концентрированными.
При проектировании заготовок, подвергающихся термической обработке, в составе технологического процесса предусматриваются дополнительные операции, связанные с особенностями термической обработки (операция меднения или снятия дополнительного припуска для устранения цементованного слоя на поверхностях, не подлежащих закалке после цементации; снятия дополнительного припуска для устранения коробления длинных и тонких заготовок после их закалки и т. п.).
УСТАНОВЛЕНИЕ КОНСТРУКТОРСКИХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ БАЗ
На основе анализа чертежа, технических требований к изделию и условий его эксплуатации выявляются конструкторские базы детали и базы, используемые при сборке, и устанавливаются технологические базы для всех предполагаемых операций обработки заготовки. При этом руководствуются принципами совмещения и постоянства баз. В необходимых случаях производятся расчеты погрешностей базирования и установки.
При вынужденной смене баз и нарушении принципа их совмещения обязательно производится пересчет допусков и технологических размеров заготовки.
Работа по назначению технологических баз начинается с выбора черновой базы. Во всех возможных случаях в качестве черновых баз принимаются поверхности, удобные для установки и в дальнейшем не обрабатываемые. Черновые базы связываются размерами или условиями (параллельность, перпендикулярность) с обрабатываемой при первой операции поверхностью или совокупностью поверхностей, которые в дальнейшем используются в качестве технологических баз для последующих операций обработки заготовки.
В целях уменьшения пространственных отклонений в расположении технологических баз, используемых при последующих операциях механической обработки, желательно в процессе первой
И М аталин А. А,	321
операции, выполняемой от черновых баз, произвести обработку всех указанных баз при одном установе заготовки.
Рассмотрим некоторые примеры назначения технологических баз при обработке заготовок различных классов.
Базирование корпусных и коробчатых заготовок. Исходными заготовками деталей коробчатой формы (блока цилиндров, корпуса коробок передач и задних мостов, головки цилиндров, корпуса передних бабок токарных станков и т. п.) служат отливки из серого чугуна или алюминия. При механической обработке этих заготовок в большинстве случаев применяется один из двух способов базирования:
1) базирование по плоскости и двум установочным отверстиям; при этом заготовка одним отверстием устанавливается на цилиндрический палец, а другим — на ромбический (заготовка лишается шести степеней свободы);
2) базирование по трем базовым поверхностям (и в этом случае заготовка лишается шести степеней свободы).
Оба способа базирования широко применяются как в массовом, так и в серийном производствах.
Первый способ базирования удобен простотой установки, не требующей создания в приспособлениях специальных устройств для поджима обрабатываемой заготовки к направляющим и упорным базовым плиткам. Его недостатком является быстрый износ пальцев (особенно при их малом диаметре — порядка 10 мм), что в массовом производстве очень ощутимо (например, при изготовлении рукавов швейной машины в количестве 1000 шт. в день износ пальцев за несколько дней работы превосходит допуск па заданный размер при фрезеровании). Это требует проведения хромирования пальцев и т. п.
При обработке корпусных заготовок из алюминия базирование по отверстиям в процессе многих операций приводит к их значительному износу и потере точности базирования. В подобных случаях в установочные отверстия заготовки запрессовывают стальные втулки, иногда остающиеся в изделии. Базирование по плоскости и двум отверстиям широко применяется в автотракторной и станкостроительной промышленности для многих корпусных заготовок малых и средних размеров. Второй способ базирования (по трем базам) обычно используют при обработке крупных и тяжелых заготовок, когда установка их на пальцы с помощью крана затруднительна из-за перекосов.
При использовании этих двух способов базирования базирующие поверхности (плоскости и отверстия) должны быть обработаны с достаточно высокой точностью размеров и взаимного расположения. Эта задача решается в процессе первых операций, выполняемых от черновой базы. На этом этапе определяется точность расположения обрабатываемых поверхностей относительно необрабатываемых, а также предопределяется равномерность распределения припусков на отдельных обрабатываемых поверхностях. Неравномерность распределения припуска на обрабатываемой поверхности вызывает ко
322
лебание величины отжатия в технологической системе, что ведет к потере точности обработки.
Особенно отрицательно влияет неравномерность припуска на внутренних поверхностях заготовки. Это объясняется тем, что при обработке этих поверхностей обычно применяется режущий и вспомогательный инструмент (расточные резцы, борштанги, державки, внутришлифовальные шпиндели и др.), имеющий меньшую жесткость, чем инструмент, используемый для обработки наружных поверхностей (фрезы, строгальные резцы и др.). В связи с этим при выполнении первых операций желательно обеспечить минимальную
Рис. 12.1
Базирование блока цилиндров:
1 — разжимные пневматические оправки; 2 — подводные опоры (Д. В. Чарнко)
А-А
Рис. 12.2
Базирование блока цилиндров на конусных оправках и призматических направляющих:
1 — пневматический прижим; 2 — призмы;
3 — фрезеруемые технологические приливы (Д. В. Чарико)
неравномерность припусков на внутренних поверхностях, допуская несколько большую неравномерность припусков на наружных поверхностях. С другой стороны, внутренние поверхности корпусных заготовок и литые отверстия выполняются при формовке с помощью стержней, проверяемых шаблонами, поэтому их смещение сравнительно невелико. В связи с этим во время первой операции базирование корпусных заготовок целесообразно производить самоцентри-рующими механизмами по литым отверстиям или по внутренним поверхностям. На рис. 12.1 приведен пример первой операции обработки блока цилиндров, где в качестве черновой базы используются поверхности литых отверстий цилиндров (базирование на разжимных оправках), а на рис. 12.2 — пример базирования блока цилиндров по отверстиям для гильз цилиндров (на жестких конусных пневматических оправках) и по полуотверстиям для коленчатого вала (на призматических направляющих).
При обработке корпуса передней бабки токарного станка в качестве черновой базы используются литое отверстие под шпиндель, боковая поверхность второго отверстия и торец (рис. 12.3). В литое отверстие под шпиндель исходной заготовки корпуса передней бабки вставляется разжимная оправка, которая вместе с корпусом
11*	323
устанавливается на две призмы, лишая этим заготовку четырех степеней свободы (точки 1—4). Упор в боковую поверхность другого отверстия и в торец лишает заготовку еще двух степеней свободы (поворот вокруг оси оправки и перемещение вдоль этой оси —точки 5—6), Из рис. 12.3 следует, что в процессе первой операции удается обработать две взаимно перпендикулярные плоскости, которые в дальнейшем могут быть использованы в качестве технологических баз. В этом случае во время второй операции сверлят и развертывают два установочных отверстия, которые затем используют в качестве баз вместе с плоскостью, обработанной в процессе первой операции. Таким образом, в этом случае весь комплект технологиче-
ботать за две первые операции, а не за три, что часто бывает при обработке подобных заготовок.
Из приведенных примеров видно, что при назначении черновых баз для обработки корпусных заготовок иногда приходится отказываться от выбора поверхностей, остающихся на заготовке необработанными. Это связано с необходимостью сокращения неравномерности распределения припуска (особенно на внутренних поверхностях), возникающей из-за неточностей литья (в частности, из-за смещения в отливках внешних и внутренних поверхностей). Если
Рис. 12.3
Базирование передней бабки токарного станка по литым отверстиям (Л, Б — обрабатываемые плоскости) (Д. В. Чарнко) отливка получена с высокой точностью (литье цветных металлов
под давлением или в кокиль), то необходимость в базировании на первой операции по внутренним поверхностям может отпасть и в качестве черновой базы можно использовать наружные (и внутренние) поверхности, остающиеся необработанными.
Базирование заготовок типа дисков, шестерен и фланцев. Базирование заготовок типа дисков, обладающих достаточной жесткостью, удобно осуществлять, используя их торцовые поверхности в качестве установочной базы, опирающейся в приспособлении на три опорные точки. Центрирование заготовки в этом случае производится по двум опорным точкам цилиндрической поверхности (короткие кулачки патрона или призмы).
Для длинных заготовок с фасонной поверхностью иногда приходится создавать специальные качающиеся зажимные кулачки. В случаях, когда заготовка базируется по длинной втулке, ее торцовая поверхность имеет на приспособлении только одну опорную точку. Наружная или внутренняя поверхности длинной втулки имеют четыре опорные точки.
При базировании заготовок типа дисков по отверстию, обработанному протягиванием, тонким растачиванием или шлифованием» 324
а также по обработанному торцу отверстие имеет на приспособлении две опорные точки и центрирует заготовку, а торцовая поверхность— три опорные точки. В связи с этим необходимо обеспечить равномерный прижим торца заготовки к соответствующей опорной плоскости приспособления. Часто заготовка центрируется по отверстию с помощью жесткой оправки, а ориентируется по опорному торцу патрона плавающими самоустаиавливающимися кулачками, магнит-
ными или вакуумными прижимами.
Базирование заготовок типа валов. Черновой базой при фрезеровании торцов валов и их зацентровке обычно служит цилиндрическая поверхность вала, устанавливаемая в двух самоцентрирующих призмах, и торец вала (по откидному упору). Последующая обработка валов осуществляется в центрах (искусственная технологическая база).
При обработке ступенчатых валов на настроенных станках (многорезцовых, гидрокопиро-нальиых, многопозиционных) для обеспечения точности линейных размеров необходимо предусмотреть при выполнении буемой точности глубины зацентровки и ее контроль. В случаях, когда дальнейшая обработка заготовок производится с применением специальных пружинных центров — поводков, обеспечивающих
Рис. 12.4
Схема шлифования конуса шпинделя:
1 — поводок для вращения шпинделя; 2 — люнет; 3 — шпиндель (Д. В. Чарнко)
первой операции достижение тре-
поджим торца вала к соответствующему упорному торцу центра— поводка, это требование не обязательно.
Для пустотелых валов базирующими поверхностями часто являются фаски, вытачиваемые на концах отверстий. В качестве приспособлений в этом случае служат грибковые центры.
При обработке валов в большинстве случаев удается осуществить принцип постоянства базы и все операции выполнить на базе центровых отверстий. В этом случае правильность геометрической формы наружных поверхностей вращения в значительной степени определяется точностью формы и качеством поверхности центровых отверстий. Опыт показывает, что точная обработка поверхностей вращения (с погрешностью в пределах 2—3 мкм) возможна только при условии тщательных шлифования и доводки центровых отверстий, для чего в настоящее время используются специальные центрошлифовальные и центродоводочные станки.
Однако в тех случаях, когда условия работы детали требуют очень точного взаимного расположения отдельных ее поверхностей (например, концентричность внутреннего конуса шпинделя станка по отношению к наружным шейкам, концентричность поверхности конуса иглы клапана по отношению к ее цилиндрической поверхности и т. п.), их обработка не может производиться на базе центровых отверстий и от применения принципа постоянства баз приходится отказываться.
325
На рис. 12.4 показана схема шлифования конуса шпинделя с базированием по поверхности основных шеек в люнетах и вращением от гибкого поводка. По аналогии в случае необходимости обеспечения концентричности цилиндрических или конических поверхностей ступенчатых валиков в пределах допусков в несколько микрометров шлифование этих поверхностей производят не в центрах, а с базированием по соответствующим цилиндрическим поверхностям. Такой метод базирования не только обеспечивает точную соосность соответствующих поверхностей, но и позволяет повысить точность геометрической формы цилиндрических поверхностей (по их овальности). Так, например, шлифуют очень точные валики прокатных станов для листовой прокатки и многие специальные детали.
УСТАНОВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО МАРШРУТА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ОБРАБОТКИ
Последовательность обработки отдельных поверхностей заготовок в значительной степени определяется простановкой размеров на чертеже детали.
Поверхности детали, являющиеся конструкторскими базами, используемыми при сборке, должны связываться непосредственными размерами по кратчайшим размерным цепям. При разработке технологической операции такие размеры необходимо
Рис. 12.5
Лимб прибора:
1 — верхняя часть лимба; 2 — нижняя часть лимба; 3 — ось; 4 — червячное колесо; 5 — червяк
•777/77//.
Рис. 12.fi
Верхняя часть лимба
проставлять по возможности непосредственно от технологических баз заготовки. В этом случае точность выполнения заданных размеров оказывается наивысшей.
Примером подобной простановки размеров по кратчайшим размерным цепям и соответствующей разработки последовательности операций может служить процесс обработки деталей лимба, показанного на рис. 12.5. Для обеспечения взаимозаменяемой сборки верхней части лимба, т. е. для правильной установки червяка 5 по отношению к центральной плоскости верхнего зубчатого венца червячного колеса 4, необходимо при изготовлении основных деталей лимба (верхней части лимба 1 и червячного клеса 4) обеспечить точное соблюдение размеров а и b (рис. 12.6), определяющих взаим-326
ное расположение червяка 5 и зубчатого венца червячного колеса 4 в собранном узле. Кроме указанных необходимо выдержать следующие конструктивно важные размеры: k (рис. 12.6) и диаметр начальной окружности червячного колеса (рис. 12.7). Остальные размеры упомянутых деталей (проставленные на рисунках) в кратчайшие расчетные размерные цепи не входят и должны проставляться на чер,еже с учетом технологических баз.
Исходной заготовкой верхней части корпуса лимба (рис. 12.6) служит отливка, полученная под давлением. Обработка этой заготовки начинается на револьверном станке (рис. 12.8, а) с наиболее
сложного контура заготовки, позволяющего максимально сконцентрировать операцию и обеспечить правильное взаимное расположение конструктивно важных поверхностей детали (торец А и отверстие = 17Н7), а также высокую производительность операции. В процессе первой операции заготовка крепится в обычном зажимном патроне (базирующие поверхности: торец F и короткая цилиндрическая поверхность Р). Торец заготовки А в этом случае используется в качестве настроечной базы для обработки торцов В и С.
При выполнении второй операции (рис. 12.8, б) торец А является опорной базой для обработки торца F, который затем служит настроечной базой при обработке торцов Е и G.
Конструктивно важный размер а (рис. 12.9), входящий в расчетную размерную цепь, выдерживается в процессе третьей операции от опорной технологической базы—торца А, являющегося конструкторской базой. Благодаря тому что направление усилия зажима заготовки перпендикулярно к торцу А, погрешность закрепления в данном случае не превышает ±0,02 мм. Второй конструктивно важный размер k выдерживается в процессе этой же операции также от технологической базы — отверстия О2, являющейся сборочной базой.
Таким образом, последовательность и содержание операций обработки верхней части корпуса лимба определяются стремлением
327
обеспечить выполнение конструктивно важных размеров детали не.
посредственно от технологических баз детали, являющихся ее конструкторскими или сборочными базами. По этим же соображениям нарезание зубчатого венца червячного колеса (рис. 12.10, а) произ-
водится при выдерживании
Планшайба токарного станка
Рис. 12.9
Расточка отверстия D5 под червяк
конструктивно важного размера b = = ±0,01 от проверочной технологической базы — торца В. Это потребовало создания специального приспособления (рис. 12.10, б) для установки червячной фрезы.
При определении последовательности обработки отдельных поверхностей заготовки кроме приведенных соображений необходимо придерживаться также приведенных ниже рекомендаций.
1. Во избежание перераспределения внутренних напряжений, а следовательно, деформации заготовки (это особенно существенно для отливок и штамповок) обработку рекомендуется начинать с наименее точных поверхностей при снятии
с них наибольших припусков.
2. В случае опасности появления раковин и трещин в первую очередь необходимо снимать наибольший припуск с тех поверхностей, где подобные дефекты обнаруживаются чаще всего и где они особенно недопустимы. Иногда может быть выполнена даже чи-
стовая обработка подобных поверхностей. Это позволяет забраковать или исправить заготовку в самом начале ее обработки без осуществления лишней механической обработки.
Рис. 12.10
Нарезание зубчатого венца червячного колеса лимба: а — схема установки колеса; б — схема установки фрезы по высоте
3. В целях сокращения пути перемещения заготовки по цеху желательно при проектировании последовательности обработки учитывать расположение оборудования (это относится к цехам серийного производства). В условиях массового и крупносерийного производств оборудование часто располагается в соответствии с направлением потока или автоматической линии обработки заготовок.
328
ВЫБОР ВИДОВ ОБРАБОТКИ
Виды окончательной обработки всех поверхностей заготовки и промежуточных операций определяют исходя из требований, предъявляемых к точности и качеству готовой детали, с учетом характера исходной заготовки и свойств обрабатываемого материала.
Для предварительного выбора вида обработки отдельных поверхностей заготовки используются данные справочных таблиц экономической точности обработки различными способами и на различных станках, которые приводятся в учебной и справочной литературе [10, 13, 14].
В связи с тем что одинаковые точность обработки и качество обработанной поверхности могут быть достигнуты различными способами, после предварительного выбора нескольких возможных технически подходящих видов обработки следует произвести их сопоставление по производительности и экономичности.
При назначении вида обработки следует стремиться к тому, чтобы число переходов при обработке каждой поверхности заготовки было минимальным. Жела-
WWWrjSSSSSSSSA

тельно, чтобы ОДНИМ И тем же способом £?‘‘е^т‘ая втулка обрабатывалось возможно большее количество поверхностей заготовки. Послед-
нее дает возможность разработать высокопроизводительные концентрированные операции с максимальным совмещением обработки отдельных поверхностей, сократить общее количество операций и установов, длительность цикла обработки, повысить производительность и точность обработки заготовки.
В том случае, когда производительность и экономичность обработки отдельных поверхностей заготовки различными способами значительно различаются, вопрос о целесообразности выполнения концентрированной или дифференцированной операции должен решаться экономическим расчетом. Примером такого подхода к разработке технологической операции может служить выбор вида обработки отверстия заготовки, изображенной на рис. 12.11, с точностью Н7 и шероховатостью Rz = 6,3 мкм.
Обработку наружных ступенчатых поверхностей указанных за-
готовок можно успешно выполнить резцами на токарном и револьверном станках или автомате. Центральное отверстие может быть обработано растачиванием или развертыванием на тех же станках посредством концентрированной операции или отдельной операции путем развертывания на станке сверлильного типа, протягивания, шлифования, тонкого растачивания на токарном или на специальном алмазно-расточном станке. При этом трудоемкость и технологическая себестоимость обработки отверстия во всех этих случаях значительно различаются.
Решение вопроса о наиболее рациональном варианте технологической операции для указанных заготовок должно быть принято после
329
проведения технического нормирования трудоемкости обработки по вариантам: обработка наружных поверхностей и центрального отверстия на револьверном станке (или автомате); обработка наружных поверхностей на револьверном станке и отверстия посредством отдельной операции на сверлильном, протяжном, алмазно-расточном и других станках.
Целесообразность обработки отверстия отдельной операцией может быть также установлена на основании опубликованных нормативных данных по производительности и экономичности обработки отдельных поверхностей. Результаты расчетов по этим дан-
fl
Рис. 12.12
Трудоемкость (а) и себестоимость (б) обработки отверстия и ЗОН7 с шероховатостью Кг = 6,3 мкм;
1 — развертывание на револьверном станке; 2 — шлифование; 3 — растачивание резцом Р-18; 4 — развертывание на сверлнльиом станке; 5 — тонкое растачивание на фрезерном станке; 6 — тонкое растягивание на специальном станке; 7 — протягивание
ным, представленные на рис. 12.12, показывают, что при окончательной обработке центрального отверстия в процессе общей концентрированной операции на револьверном станке развертыванием или раслачиванием трудоемкость обработки отверстия значительно выше, чем при использовании способов, требующих выделения обработки отверстия в особую операцию (развертывание на сверлильном станке, тонкое растачивание на фрезерном или на специальном алмазнорасточном станке). Даже если учесть, что при выполнении концентрированной операции на револьверном станке экономится время установки заготовки на станке (заготовка уже закреплена для наружной обработки, и специальной установки для обработки отверстия не требуется), обычно составляющее 0,18—0,22 мин (установка в патроне без выверки), из графиков (рис. 12.12, а) следует, что разделение револьверной операции на две с выделением окончательной обработки отверстия на сверлильном (развертывание), алмазнорасточном или горизонтально-фрезерном (тонкое растачивание) либо протяжном станке способствует значительному сокращению затрат суммарного времени на обработку заготовки. Выделение обработки 330
отверстия на шлифовальном станке нецелесообразно, так как трудоемкость шлифования близка к трудоемкости развертывания на револьверном станке и подобная дифференциация только удлиняет производственный цикл.
Данные по трудоемкости обработки (рис. 12.12, а) не дают окончательного решения вопроса о целесообразности дифференциации операций и должны быть дополнены данными по экономичности обработки, приведенными на рис. 12.12, б.
Из этих графиков следует, что наиболее производительный вид сбработки отверстий — протягивание — в условиях серийного производства не является достаточно экономичным. При обработке операционной партии заготовок 200 шт. протягивание отверстий длиной 20 мм является наиболее дорогим видом обработки. Только для отверстий длиннее 80 мм протягивание оказывается экономичнее растачивания резцами на токарных и револьверных станках, раз-гзртывания на револьверных станках или шлифования. Однако и при этих размерах отверстий протягивание значительно дороже развертывания на сверлильных станках или тонкого растачивания.
Проведенный анализ производительности и экономичности обработки отверстий различными способами приводит к заключению, что при проектировании технологических процессов обработки загото-г >к типа, изображенного на рис. 12.11, целесообразно предусмотреть i лончательную обработку наружного контура и предварительную обработку отверстия на револьверном станке или автомате, а окончательную обработку отверстия выделить в отдельную операцию, выполняемую одним из следующих высокопроизводительных видов обработки: развертыванием на сверлильном станке, тонким растачиванием на горизонтально-фрезерном станке или тонким растачиванием на специальном алмазно-расточном станке.
Именно такая последовательность обработки принята в некоторых типовых технологических процессах изготовления зубчатых колес.
Принимая решение о дифференциации обработки и выделении отдельных переходов в самостоятельные операции, технолог должен учитывать происходящее при этом удлинение производственного цикла и увеличение межоперационного транспортирования и проле-жпвания заготовок на промежуточных складах. В условиях работы гибкой автоматизированной системы станков эти дополнительные обстоятельства особого значения не имеют, однако при недостаточно четкой организации производства цеха их отрицательное влияние может превзойти достоинства дифференциации.
УСТАНОВЛЕНИЕ ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ОПЕРАЦИЙ И РАСЧЕТ ОПЕРАЦИОННЫХ ПРИПУСКОВ И РАЗМЕРОВ
В связи с тем что выбранный способ окончательной обработки отдельных поверхностей не всегда может обеспечить получение требуемых точности и качества поверхности непосредственно из исходной заготовки, возникает необходимость создания промежуточных
331
операций или переходов, по мере выполнения которых достигается постепенное повышение точности заготовки до требуемой от готовой детали. Так, например, когда необходимо обработать валик с точностью выше IT5 с шероховатостью Rz = 0,2н-0,4 мкм, а заготовкой служит прокат, то в технологическом процессе, очевидно, невозможно ограничиться применением одной доводочной операции, обеспечивающей достижение требуемых точности и качества поверхности. В этом случае необходимо предусмотреть ряд промежуточных операций или переходов (точение, предварительное и окончательное шлифование и, наконец, доводку).
При назначении количества и способов выполнения промежуточных операций исходят из технических возможностей выбираемых способов с точки зрения достигаемых точности и качества поверхности, а также из требований этих видов обработки к точности и качеству заготовок, получаемых на предшествующих операциях. Так, в приведенном выше примере по обработке высокоточных валиков исходят из того, что точность выше IT5 в настоящее время обычно достигается одним из способов доводки. Однако известно, что процесс доводки может быть экономичным лишь при условии снятия припуска на доводку в пределах 0,01—0,02 мм на диаметр. Это означает, что предыдущая операция должна дать точность заготовки под доводку в пределах допуска 0,005—0,001 мм [операционный допуск, исходя из формулы (9.5), должен быть в два—четыре раза меньше припуска на последующую операцию] при шероховатости не грубее R, = 3,2 мкм.
Видом обработки, обеспечивающим достижение такой точности, является чистовое шлифование, снимающее припуск порядка 0,05 мм на диаметр. Аналогичные рассуждения приводят к необходимости проведения предварительного шлифования и предварительной обточки черной исходной заготовки. Таким образом, кроме назначения способов окончательной обработки всех поверхностей заютовки назначаются способы промежуточной обработки и подсчитываются соответствующие операционные припуски и допуски на операционные размеры.
При этом широко используются справочные данные о точности размеров, шероховатости поверхности и глубине распространения деформационного упрочнения и остаточных напряжений металла поверхностного слоя, формирующихся при применении различных видов и режимов механической обработки.
ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ
При выборе оборудования в условиях действующего производства приходится ориентироваться на имеющееся в цехе оборудование и обязательно учитывать степень фактической загрузки отдельных его групп. Во многих случаях технологическая операция, осуществление которой предусматривалось на загруженном в цехе оборудовании, может быть произведена без ущерба для качества и производительности обработки (вместо шлифования — тонким точением и т.п.). 332
Подобные изменения первоначально намеченных способов обработки должны подкрепляться экономическими расчетами их производственной целесообразности. Следует иметь в виду, что проектирование новых технологических операций для сильно загруженного уникального оборудования, лимитирующего общий выпуск завода, мо-я<ет быть допущено лишь в исключительных случаях, когда никакие другие станки и способы обработки для данных заготовок не могут f'HTb использованы. Во всех иных случаях следует применять любые технологические процессы и оборудование, обеспечивающие качественную обработку заготовок даже тогда, когда производительность и экономичность обработки при этом снижаются по сравнению с обработкой на уникальном оборудовании в несколько раз.
Проектирование технологического процесса, рассчитанного на приобретение специального оборудования в условиях действующего серийного производства, является исключением и требует проведения предварительного экономического обоснования.
При проектировании технологических процессов для вновь создаваемых предприятий имеется возможность выбирать наиболее технически и экономически подходящее оборудование.
Исследования использования металлорежущего оборудования в СССР и за рубежом, проведенные в последние годы, со всей очевидностью показали, что для обработки подавляющего большинства заготовок оборудование должно подбираться не только с точки зрения обеспечения предъявляемых к нему технических требований, но и с точки зрения достижения наивысших экономических показателей проектируемой технологической операции.
Так, например, из общего числа заготовок, изготовляемых в СССР на токарных станках, только 21 % имеет точность, соответствующую IT6, а остальные 79 % обрабатываются с точностью IT8 (46 %) и грубее. При этом требования по шероховатости поверхности в пределах Rz = 6,3 мкм предъявляются лишь к 2 % заготовок. Только для 24 % заготовок необходимо применение ходового винта при нарезании резьбы; 80 % всех токарных работ могут быть выполнены на станках с расстоянием между центрами до 700 мм.
Приведенные данные показывают, что около 80 % заготовок, обрабатываемых в настоящее время на токарных станках, могут быть изготовлены на револьверных станках, автоматах, многорезцовых станках и на станках с программным управлением. Во всех случаях выбор станка должен производиться на основании экономических соображений по соответствующим нормативам.
Графики, дающие возможность определить размеры операционных партий заготовок, при которых экономически целесообразно использовать токарные и револьверные станки или одно- и многошпиндельные прутковые автоматы, были приведены на рис. 10.6.
Опыт передовых предприятий показывает, что размер экономически целесообразной партии заготовок, при которой следует переводить их обработку с токарного станка на револьверный, составляет 5—25 шт., с револьверного станка на одношпиндельный автомат — 150—700 шт. и на многошпиндельный автомат с одношпин-
333
дельного — от 150 шт. заготовок и выше. При этом с увеличением размеров обрабатываемых заготовок величина операционной партии, при которой экономично применение высокопроизводитель-
Рис. 12.13
Граница экономической целесообразности перевода обработки заготовок с токарноревольверного станка на од-цошпиндельный автомат
ных и дорогостоящих станков, уменьшается.
Размеры граничных партий заготовок, при которых экономически целесообразно переводить их обработку на более производительное оборудование, в значительной степени связаны с конфигурацией заготовок, а следовательно, и с числом необходимых переходов и применяемых инструментов. При большом числе переходов перевод обработки заготовок с токарно-револьверных станков на автоматы особенно экономичен. Из графика на рис. 12.13 следует, что с увеличением числа переходов на токарно-револьверном станке с 7 до 14 размер партии заготовок, при которой целесообразно их обработку выполнять на одношпиндельном автомате, уменьшается со 100 до 27 шт.
На рис. 12.14 приведены эскизы типовых заготовок, а в табл. 12.1 даны значения гра-
ничных размеров партии, при которых экономически целесообразно переводить их обработку с токарного станка на револьверный, а с револьверного станка на одношпиндельный автомат и с одношпиндельного автомата на многошпиндельный.
Таблица составлена при условии, что один наладчик обслуживает восемь револьверных станков и одношпиндельных автоматов или четыре многошпиндельных автомата.
В настоящее время внимание технологов привлекает вопрос об установлении границ экономичного применения станков с программным управлением. При изготовлении специальных заготовок особо сложной конфигурации (например, крупногабаритных турбинных лопаток и т. п.) целесообразность применения таких станков не вызывает сомнений, несмотря на высокую их стоимость. Многообразные технологические возможности, высокая точность и производительность этих станков, значительная экономия в затратах на приспособления и производственную зарплату, более полное исполь-334
Таблица 12.1
Граничные значения величины партии заготовок (в штуках) для станков с различной степенью автоматизации
и-	 Вид заготовки	Токарный и токарно-револьверный станок		Револьверный станок и одношпиндельный ввтомат		Одно- н многошпиндельный автоматы	
	По себестоимости	По производительности	По себестоимости	По производительно-сти	По себестоимости	По производи-тельно-сти
| Рис. 12,14. а	6	1	200	100	800	500
Рис. 12.14,6	6	1	100	50	250	250
Рис. 12,14,6	6	1	70	27	420	270
Рис. 12.14,3	5	1	60	40	350	140
чование станков и устранение брака окупают высокую стоимость
станков подобного рода.
Более сложным является вопрос об экономичности применения станков с программным управлением для обработки обычных де-
1алей машиностроения взамен токарных, револьверных или станков-автоматов, а также взамен универсальных станков при выполнении фрезерных и расточных операций. На рис. 12.15 приведена себестоимость обработки фланца на различных станках токарной группы. При расчете было принято, что один рабочий обслуживает два станка с программным управлением. Из рисунка видно, что станок с программным управлением (кривая 4) оказывается наиболее экономичным в узком интервале размеров партий (4— 20 шт.). При количестве заготовок в партии менее 4 шт. наиболее экономичным является самый де
Рис. 12.15
Себестоимость обработки фланца на различных станках токарной группы:
1 — токарный станок; 2 — токарно-револьверный станок; 3 — патронный кулачковый токарный автомат; 4 — токарный станок с программным управле-
шевый токарный станок нием
(кривая /). Если партия заготовок превышает 20 шт., то наиболее выгодно использовать двухшпиндельный кулачковый патронный
335
токарный автомат (кривая 3). Это объясняется в первую очередь тем, что установка одного его шпинделя производится во время работы второго, а в результате этого устраняются простои станка.
Необходимо подчеркнуть, что быстрое совершенствование конструкций станков с ЧПУ изменяет область их экономичного применения и сдвигает ее в сторону уменьшения размеров операционных партий обрабатываемых заготовок. В частности, применение станков с оперативным управлением на базе микропроцессоров может оказаться экономичным уже при обработке нескольких штук заготовок. Кроме того, в этом случае при использовании высокоавтоматизированных станков с ЧПУ следует учитывать возможное сокращение потребности предприятия в дефицитной рабочей силе высокой квалификации, что в современных условиях очень важно.
Приведенные примеры показывают необходимость проведения тщательных предварительных расчетов экономической целесообразности применения станков различных типов для обработки проектируемых заготовок.
Пользуясь подобными данными и расчетами, выбирают оборудование, обеспечивающее достижение наибольших производительности и экономичности обработки в условиях заданных производственной программы и конструкции заготовок.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТРУКТУРЫ ОПЕРАЦИИ И ОФОРМЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КАРТ
После решения перечисленных вопросов определяют структуру операции и выполняется предварительное оформление операционнотехнологических карт с вычерчиванием соответствующих операционных эскизов. При оформлении технологических операций и отдельных переходов производится анализ технической возможности и экономической целесообразности их концентрации путем применения наборов нормального режущего инструмента или проектирования и изготовления специальных комплектов инструментов (в том числе фасонных), а также использования специальных многоинструментных державок, параллельной и последовательной обработки заготовок и затем окончательно уточняется принятая структура операции.	I
В случае разработки нескольких вариантов технологических процессов обработки одной заготовки окончательно выбирается наиболее рациональный вариант после их аналитического сопоставления.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ СХЕМ НАЛАДКИ СТАНКОВ
После определения структуры операций проектируются схемы наладки (настройки) станков для основных технологических операций. При этом выполняются необходимые расчеты точности настройки, определяются рабочие циклы станка, взаимного расположения инструментов, режимы их работы и производительность операции.
Проектирование наладок обычно осуществляется в такой последовательности.
336
1.	Расчеты точности настройки станка на настроечные размеры (определение среднего настроечного размера и допуска на настройку пли расчез предельных настроечных размеров с учетом рассеяния размеров и переменных систематических погрешностей обработки).
2.	Составление предварительного плана размещения инструментов в суппортах и инструментальных головках по отдельным переходам и предварительный расчет режимов резания. При этом следует стремиться к одновременной работе инструментов, размещенных в разных суппортах, закрепленных в многорезцовых дер-
жавках.
Размещение одновременно работающих резцов должно по возможности предусматривать взаимное уравновешивание возникающих сил резания. Обтачивание ступенчатых заготовок следует на-
чинать с меньшего диаметра; снятие фасок и подрезание торцов должны производиться одновременно с обтачиванием.
С увеличением количества одновременно работающих инструментов сокращается длина перемещения суппорта и повышается производительность обработки. Однако при чрезмерном увеличении количества одновременно работающих инструментов мощность станка может оказаться недостаточной и тогда резания. С другой стороны, большое
Рис. 12.16
Зависимость трудоемкости обработки от числа одновременно работающих инструментов (В. С. Коровков)
приходится снижать режимы количество одновременно ра-
ботающих режущих инструментов увеличивает простои станка, связанные с необходимостью смены затупившихся инструментов, что ведет к увеличению времени технического обслуживания Т^. Последняя причина, в свою очередь, заставляет дополнительно сни-
жать режимы резания, что заметно замедляет снижение основного времени То с увеличением числа одновременно работающих инструментов. В результате этого штучное время операции Тш с увеличением числа режущих инструментов в наладке сначала снижается, а затем, при превышении некоторой оптимальной величины пОпт — возрастает, а производительность операции даже снижается (рис. 12.16). Это делает необходимым проведение расчетов целесообразной степени концентрации наладки станка. Для этого производят техническое нормирование различных вариантов наладки (в том числе малоинструментных наладок, предусматривающих обработку по высоким режимам резания одним-двумя инструментами, работающими по копирам) и выбирают вариант, предусматривающий наивысшую производительность обработки с учетом мощности станка, фактических режимов резания, стойкости инструментов и потерь времени на их переточку и поднастройку, а также с учетом затрат времени на проведение самой настройки станка.
3.	Окончательная компоновка инструментов в наладке станка и корректирование режимов резания.
337
4.	Оформление схемы наладки станка с указанием размещения инструментов, их шифров, рабочих и холостых движений; с подбором необходимых копиров и шестерен; с расчетами циклов работы станка и производительности обработки по данной наладке.
5.	Конструирование необходимой оснастки для наладки станка (приспособление, специальный режущий и вспомогательный инструмент, шаблоны для установки режущего инструмента и т. п.).
После проектирования наладки станка окончательно оформляют операционно-технологические карты и производят техническое нормирование всех операций технологического процесса с установлением необходимого разряда работы и соответствующих норм выработки.
$ 12.2
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ТИПОВЫХ И ГРУППОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
СУЩНОСТЬ ТИПИЗАЦИИ И КЛАССИФИКАЦИИ
Одним из наиболее прогрессивных направлений совершенствования технологии машиностроительных заводов является типизация технологических процессов. При всем многообразии деталей машиностроительного производства среди них можно обнаружить большое количество деталей аналогичной конфигурации, близких по точности, материалам, требованиям, предъявляемым к качеству обработки их основных поверхностей, а также сравнительно мало отличающихся по размерам. Вместе с тем очень часто такие детали изготовляются на разных заводах, в разных цехах (а иногда и в одном цехе), на различном оборудовании из разных исходных заготовок, различными технологическими методами при неодинаковых производительности и экономичности обработки.
Типизация должна обеспечить устранение многообразия технологических процессов обоснованным сведением их к ограниченному числу типов и являться базой для разработки стандартов на типовые технологические процессы (ГОСТ 14.303—73).
Проведение типизации технологических процессов для сходных по конфигурации и технологическим особенностям деталей предусматривает их изготовление по одинаковым технологическим процессам, основанным на применении наиболее совершенных способов обработки, обеспечивающих достижение наивысшей производительности и экономичности производства.
В соответствии с ГОСТ 14.301—83 типовой технологический процесс разрабатывается для изготовления в конкретных производственных условиях типового представителя группы изделий, обладающих общими конструктивно-технологическими признаками. К типовому представителю группы изделий относят изделие, обработка которого требует наибольшего количества основных и вспомогательных операций, характерных для изделий, входящих в эту группу.
338
Типизация технологических процессов может производиться по трем направлениям: 1) обработки отдельных поверхностей; 2) обработки отдельных (типовых) сочетаний поверхностей; 3) обработки заготовок.
Работа по типизации технологических процессов в любом из указанных направлений должна начинаться с проведения классификации (поверхностей, их сочетаний или деталей). Основной задачей классификации является приведение всего многообразия заготовок, поверхностей и их сочетаний к минимальному количеству типов, для которых можно разработать типовые технологические процессы обработки в нескольких вариантах, чтобы для любого конкретного случая обработки заготовки, поверхности или сочетания поверхностей данного типа можно было выбрать наиболее рациональный типовой процесс для данных условий производства. Признаки, заложенные в основу классификации обрабатываемых поверхностей, типовых сочетаний поверхностей и заготовок, должны удовлетворять условиям, при которых обработка могла бы быть осуществлена по одному и тому же технологическому процессу.
КЛАССИФИКАЦИЯ И ТИПИЗАЦИЯ ОБРАБОТКИ ОТДЕЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Признаками для классификации элементарных поверхностей являются: форма поверхности; требуемая точность (по размеру, форме и качеству); размеры; материал изделия.
Примерами построения типовых технологических процессов (схем) обработки различных поверхностей заготовки могут служить многочисленные руководящие и справочные материалы по припускам, последовательности переходов, трудоемкости и экономичности обработки заготовок с различными квалитетами точности и разной шероховатостью. При создании типовых процессов обработки отдельных поверхностей не решается вопрос о типизации исходной заготовки, оборудования и последовательности отдельных операций.
Типовой процесс обработки определенного сочетания поверхностей, и особенно типовой процесс обработки заготовок, не всегда составляется из сочетаний типовых процессов обработки отдельных поверхностей, так как определенные сочетания элементарных поверхностей в конкретной заготовке иногда дают возможность более целесообразного построения последовательности переходов и их объединения, применения комбинированного инструмента и т. п.
КЛАССИФИКАЦИЯ И ТИПИЗАЦИЯ ОБРАБОТКИ СОЧЕТАНИЙ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Под типовым сочетанием поверхностей понимается сочетание поверхностей, встречающихся у различных заготовок, при котором все элементарные поверхности могут быть обработаны при неизменной технологической базе, на одних и тех же станках, одинаковыми инструментами, при одинаковых содержании и последовательности операций, установов и переходов.
339
Признаками для классификации типовых сочетаний поверхностей являются: конфигурация отдельных поверхностей; взаимное расположение их; точность обработки отдельных поверхностей и точность их взаимного расположения; размеры отдельных поверхностей; соотношение размеров между ними; материал обрабатываемой заготовки.
В процессе типизации технологических процессов обработки типовых сочетаний поверхностей составляют план обработки данного сочетания поверхностей по операциям в нескольких вариантах, устанавливают последовательность переходов для каждой операции, определяют типы режущих и мерительных инструментов для отдельных переходов.
Примерами разработки типовых процессов обработки сочетаний поверхностей могут служить описываемые в различных руководствах процессы обработки концентричных наружных и внутренних поверхностей вращения, эксцентрично расположенных поверхностей с обеспечением точного выполнения эксцентриситета, взаимно перпендикулярных или параллельных поверхностей, обеспечения соосности обрабатываемых отверстий и точных расстояний между ними и т. д.
Типизация обработки сочетаний поверхностей (как и обработки элементарных поверхностей) не решает задачи типизации исходной заготовки и не всегда определяет последовательность обработки отдельных поверхностей конкретной заготовки. При наличии у заготовки нескольких типовых сочетаний поверхностей, связанных с определенными «своими» технологическими базами, может возникнуть необходимость в изменении последовательности обработки отдельных типовых сочетаний. Решить задачу типизации технологических процессов можно только путем проведения типизации обработки заготовок.
КЛАССИФИКАЦИЯ И ТИПИЗАЦИЯ ОБРАБОТКИ
ЗАГОТОВОК
Признаками для классификации заготовок являются: конфигурация заготовки; ее размеры; точность обработки и качество обрабатываемых поверхностей; материал заготовки.
Кроме указанных основных признаков, определяющих характер и содержание технологического процесса, на построение последнего большое влияние оказывают условия его осуществления. К таким условиям прежде всего относятся: объем общего производственного задания и размеры отдельных партий обрабатываемых заготовок; общая производственная обстановка (оборудование, наличие инструмента и возможности инструментального цеха, расположение оборудования, система организации производства в цехе и т. п.).
В связи с тем что первые четыре признака относятся непосредственно к заготовке и выявляются из ее чертежа, они и принимаются в основу технологической классификации заготовок. Дополнительные признаки, связанные с планированием и организацией произ-340
6одства, учитываются при типизации технологических процессов созданием нескольких технически равноценных вариантов типовых процессов.
В основу построения технологической классификации заготовок проф. А. П. Соколовский принимает классы, которые, в свою очередь, подразделяются на подклассы, группы и подгруппы.
Классом называется совокупность заготовок, характеризуемых общностью технологических задач, решаемых в условиях определенной конфигурации этих заготовок. По классификации А. П. Соколовского предусмотрено 14 классов (валы, втулки, диски, эксцентриковые заготовки, крестовины, рычаги, плиты, угольники, бабки, зубчатые колеса, фасонные кулачки, ходовые винты и червяки, мелкие крепежные детали). При этом указывается, что к этой классификации, имеющей общий машиностроительный характер, целесообразно добавлять новые классы заготовок, характерных для отдельных отраслей промышленности (например, турбинные лопатки, шариковые подшипники и т. п.).
Разбивка классов на группы и подгруппы заканчивается типом. Под типом подразумевается совокупность заготовок одного класса, имеющих в определенных производственных условиях одинаковый маршрут типовых операций. При этом типовая технологическая операция характеризуется единством содержания и последовательности технологических переходов для группы изделий с общими конструктивными и технологическими признаками (ГОСТ 3.1109—82).
Таким образом, под типом понимается совокупность заготовок, имеющих план операций, осуществляемый в основном одинаковыми способами (однородное оборудование, одинаковое качество устано-вов, приспособлений и инструмента). Практически к одному типу относятся заготовки, для которых можно составить общую карту типового процесса. В пределах типа допускаются некоторые отклонения в порядке обработки. Возможно исключение или добавление некоторых (нехарактерных) переходов и даже операций (например, сверления неточных отверстий).
В табл. 12.2 приведена классификация заготовок класса валов, подкласса ступенчатых валов диаметром 30—80 мм и длиной 150— 1000 мм, 6—8-го квалитетов точности. Валы этих размеров составляют около 80 % всех валов, применяемых в машиностроении.
Данная классификация разработана с учетом: конструктивных особенностей соответствующих типов деталей, применяемых в различных отраслях машиностроения; методов изготовления рассматриваемых деталей на заводах массового и серийного производств; общности оборудования, необходимого для их изготовления; принятых размерных рядов основных групп станков, применяемых при обработке рассматриваемых заготовок.
Классификация делит заготовки подкласса ступенчатых валов на виды, размерные группы и типы. Виды характеризуются наличием или отсутствием центрального сквозного или глухого отверстия. Размерные группы валов определяются размерными рядами станков, на которых эти валы могут быть обработаны.
341
342	1	343
Таблица 12.2
Классификация подкласса ступенчатых валов
Продолжение табл. 12.2
Вид		Наименование	Размерная группа			
Наименование	Обозначение		Длина вала, мм	Обозначение	Длина вала, мм	Обозначение
			150—500	1	500—1000	и
			Тип			
			Эскиз	Обозначение	Эскиз	Обозначение
Ступенчатый без центрального отверстия	1	В алы-тестер ни конические со шлицами		1—1—5		1—II—5
						
						
Ступенчатый с центральным отверстием	2	Валы без шлицев Валы со шлицами Валы-шесгерни со шли цами Валы-рейки		2—1—1 2—1—2 2—1—3		2—II—1 2—II—2 2—II—3
						
			11Г			
					ГЦ ц и Ън нН'	
						
					М 11Й1 П \\ П 1|	
						
В качестве основных станков для обработки валов приняты токарные, шлифовальные и шлицефрезерные станки. В соответствии с расстояниями между центрами указанных групп станков валы разделены по длине на две размерные группы: 150—500 мм и 500— 1000 мм. Типы валов определяются совмещением видов и размерных групп. Типовые валы обозначаются трехзначными цифрами, в которых первая обозначает вид, вторая — размерную группу, третья — порядковый номер типа в данном виде.
Разработка типовой технологии в условиях завода должна проводиться для двух ее вариантов1, рабочего, составленного на основании имеющегося оборудования и условий завода, и перспективного, учитывающего все возможности современных видов обработки, новейшего оборудования и прогрессивных методов организации производства (создание технологических участков производства зубчатых колес, валов, втулок и т. п., уровень технологии которых может быть значительно повышен).
Документация типовых технологических процессов включает в себя классификатор заготовок и типовые процессы обработки.
Карты типовых процессов составляют для каждого типа заготовок. Они имеют две разновидности: обычные типовые карты, включающие перечень операций и оборудования с указанием количества установов и краткого порядка выполнения работы, и карты нормального процесса для типа заготовок, отличающихся только размерами при тождественной форме (чаще всего для нормализованных или даже гостированных заготовок). Типовой процесс для таких заготовок одинаков и часто оформляется в виде технологических карт (слепышей). Подобные карты составляют для простейших по конфигурации заготовок (кольца, крепежные детали, режущий инструмент и т. п.). Такие карты содержат подробные данные о технологическом процессе и отдельных операциях: эскиз заготовки, номера нормалей и ГОСТов, предельные габаритные размеры заготовок, точность обработки и качество поверхности, материал, последовательность и содержание операций переходов, оборудование, приспособление и инструменты (режущие, мерительные и вспомогательные), режимы обработки (пределы их изменений для разных размеров заготовок) и указания по техническому нормированию.
При оформлении карт в виде слепышей конкретные размеры на кальку не записывают (заменяют черным квадратом). Синьки, снятые с этих калек, служат бланками для оформления операционных карт типовых заготовок, которое сводится к простановке конкретных размеров. Заполненные карты поступают на рабочее место в качестве инструкций.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ГРУППОВОЙ ОБРАБОТКИ
В условиях современного единичного мелкосерийного и серийного типов машиностроительного производства важное значение имеет организация группового производства. Групповое производство — это прогрессивная в технико-экономическом отношении форма орга~ 344
низации дискретных (прерывных) производственных процессов, экономико-организационной основой которой является целевая подетальная (предметная) специализация участков и цехов, а технологической составляющей — унифицированная групповая (типовая) форма организации технологических процессов. При этом в конечном счете создаются подетально-групповые цехи, участки и многономенклагурные групповые поточные линии. При подетально-групповой специализации цехи (участки) организуются по принципу конструктивно-технологического подобия изготовляемых деталей независимо от того, для какого изделия или узла предназначена та или иная деталь. В крупносерийном и массовом производствах метод групповой обработки целесообразно применять при коротком цикле изготовления изделия или при коэффициенте закрепления операций 0	2.
СУЩНОСТЬ ГРУППОВОЙ ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК
По ГОСТ 14.004—83 под групповой организацией производства понимается форма организации производства, характеризуемая совместным изготовлением или ремонтом групп изделий различной конфигурации на специализированных рабочих местах.
Метод групповой обработки, созданный проф. С. П. Митрофановым [5], является развитием идей типизации технологических процессов. За основу метода (так же, как и при типизации технологических процессов) принимается технологическая классификация заготовок, заканчивающаяся формированием группы, являющейся главной технологической единицей групповой обработки.
Построение технологической классификации заготовок для групповой обработки существенно отличается от классификации заготовок, необходимой для типизации технологических процессов. Если при типизации технологических процессов в общий класс объединяются заготовки по принципу общности их конфигурации, технологического маршрута и содержания отдельных операций, то при групповой обработке под классом понимается совокупность деталей, характеризуемая общностью типа оборудования, необходимого для получения или обработки заготовки в целом или отдельных ее поверхностей.
Таким образом, при групповой обработке создают классы заготовок по видам обработки (изготовляемые на токарных, револьверных, фрезерных, сверлильных станках, на станках-автоматах, а также получаемые литьем под давлением, холодной и горячей штамповкой и т п ). Создание классов является предварительным этапом подготовки групповой обработки. Основной задачей этой подготовки является формирование групп.
Основным признаком для объединения заготовок в группы по отдельным технологическим операциям является общность обрабатываемых поверхностей или их сочетаний.
В связи с тем что из большого количества отдельных поверхностей при их различных сочетаниях может быть образована разнообразная конфигурация заготовок, в состав группы могут и дей-
345
ствительно часто включаются заготовки различной конфигурации (рис. 12.17). В этом смысле понятие группы значительно шире понятия типа заготовок, являющегося основой построения типового процесса. Известно, что под типом понимается совокупность конструктивно подобных заготовок, отличающихся только размерами; заготовки одного типа имеют одинаковые технологический маршрут и содержание отдельных операций, что не является обязательным для группы заготовок.
При формировании группы заготовок учитываются следующие признаки: общность элементов, составляющих конфигурацию заготовки, а следовательно, и общность поверхностей, подлежащих
Рис. 12.17
Группа заготовок, обрабатываемых с одной наладкн (С. П. Митрофанов)
обработке (цилиндрическая наружная, цилиндрическая внутренняя, коническая поверхности, фаски, резьба, канавка, торцовые поверхности и т. п.); точность и шероховатость обрабатываемых поверхностей; однородность исходной заготовки и обрабатываемого материала, позволяющая осуществление обработки одинаковыми способами и общими режущими инструментами; близость размеров исходных заготовок, позволяющая их обрабатывать на одном и том же оборудовании в однотипных приспособлениях (групповых, переналаживаемых приспособлениях); серийность выпуска заготовок и трудоемкость их обработки по существующей программе.
Групповая обработка может ограничиваться отдельными групповыми операциями (заготовительные и отделочные операции, станочная обработка и др.), а также может применяться для построения группового технологического процесса обработки заготовок в целом, включая организацию поточных линий.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГРУППОВЫХ ОПЕРАЦИЙ
Групповой технологической операцией называется общая для группы различных по конструктивным признакам заготовок операция, выполняемая с определенной групповой оснасткой, обеспечивающей обработку заготовки на данном оборудовании.
Групповую технологическую операцию следует разрабатывать для выполнения технологически однородных работ при изготовлении 346
группы изделий на специализированном рабочем месте при условии возможности подналадки средств технологического оснащения. Ее можно разрабатывать и применять как составную часть группового технологического процесса (маршрута), как однооперационный групповой технологический процесс и как отдельную групповую операцию единичного технологического процесса (ГОСТ 14.316—75).
Групповым технологическим процессом называется совокупность групповых технологических операций, обеспечивающих обработку различных заготовок группы (или нескольких групп} по общему технологическому маршруту. При групповом технологическом маршруте некоторые заготовки или их группы могут пропускать отдельные операции.
Групповой технологический процесс предназначен для совместного изготовления и пи ремонта группы изделий различной конфигурации в конкретных условиях производства на специализированных рабочих местах.
Групповой технологический процесс разрабатывается с целью экономически целесообразного применения методов и средств крупносерийного и массового производств в условиях единичного, мелкосерийного и серийного производств (ГОСТ 14.316—75).
При построении отдельных групповых операций группой называется совокупность заготовок, характеризуемая общностью оборудования, технологической оснастки, наладки и технологических переходов.
Таким образом, группа заготовок создается для выполнения операции на одном и том же станке при его неизменной наладке. В отдельных случаях при переходе к обработке другой заготовки данной группы допускается незначительная подналадка станка, однако она должна быть осуществлена с минимальной затратой времени (замена сверл, перестановка линейных и диаметральных упоров, замена сменных установочных или зажимных деталей группового приспособления при сохранении на станке постоянного основного корпуса приспособления и т. п.).
Проектирование групповой обработки выполняют в такой последовательности.
1.	По чертежам изделий завода производят отбор заготовок, которые могут быть обработаны на одинаковом оборудовании при установке в однотипных приспособлениях с применением одинакового инструмента.
2.	Определяют фактическую трудоемкость обработки отобранных заготовок в количестве, обеспечивающем полное выполнение месячной программы (с учетом периодичности запуска заготовок в производство).
3.	Устанавливают окончательный состав группы заготовок исходя из необходимости загрузки оборудования в течение месяца при минимальных переналадках для других групп заготовок.
Этот этап работы является исключительно важным для успешного осуществления групповой обработки. Преимущества групповой обработки могут проявиться в полной мере только в том случае, если
347
между переналадками станка для обработки различных групп заго-товок проходит достаточно большой период (три-четыре дня и более).
Особенно успешно применяется групповая обработка в тех случаях, когда на одном станке обрабатывают одну или две группы заготовок в течение месяца. При этом достигается определенная специализация станка, облегчается и улучшается организация обслуживания рабочего места, растет производительность.
В условиях мелкосерийного производства, когда заготовки обрабатывают партиями по 5—10 шт., для создания такой длительности обработки одной группы приходится объединять в группы большое количество различных по конфигурации заготовок (до 60—80 наименований заготовок в одной группе). Для этого требуются сложные многопереходные настройки станков с использованием в основном нормальных режущих инструментов, работающих последовательно. Совмещение переходов путем применения фасонных специальных инструментов или специальных державок для комбинирования одновременной обработки разных поверхностей почти не применяется. Естественно, что в этом случае производительность операции уступает обработке со специальными настройками, хотя она, конечно, значительно выше, чем при единичных процессах обработки мелких серий (по 5—10 шт.) на универсальных станках без технологической оснастки.
При формировании группы следует провести расчет целесообразных ее размеров путем сопоставления экономичности обработки большой группы заготовок при редких переналадках станка, но с относительно пониженной производительностью выполнения операции (в связи с невозможностью совмещения переходов), с экономичностью обработки нескольких более мелких групп, состоящих из тех же заготовок. Для групп меньших размеров, благодаря большей конструктивной и технологической близости входящих в них заготовок, групповые операции могут быть построены с совмещением переходов и применением специальных державок и инструментов. Следовательно, операции будут более производительными, но переналадка станка в этом случае потребуется чаще.
4.	После уточнения состава группы создают комплексную заготовку, устанавливают последовательность и содержание переходов групповой операции и разрабатывают схему групповой наладки станка.
Схему групповой наладки станка разрабатывают для наиболее сложной заготовки группы, включающей в себя все поверхности, встречающиеся у остальных заготовок. Если среди более простых заготовок группы встречаются отдельные поверхности (например, конус, фаска), отсутствующие у других заготовок, то эти поверхности искусственно добавляют в чертеж. Такая усложненная заготовка называется комплексной.
На рис. 12.18 приведена схема создания комплексной заготовки путем искусственного объединения отдельных поверхностей более простых заготовок группы. Настройка станка, осуществленная для 348
комплексной заготовки, дает возможность без серьезной переналадки обработать любую заготовку группы. Создание комплексных заготовок удобно для осуществления групповой наладки станков токарно-револьверной группы. При проектировании групповой обработки на станках других видов (например, фрезерных или шлифовальных) понятие комплексной заготовки теряет свое значение.
5.	После разработки схем групповой наладки и уточнения содержания технологических переходов проектируют и изготовляют групповую оснастку. При этом проектируют групповые приспособления и инструменты, производят целевую модернизацию станков, создают специализированные станки для групповой обработки.
Рис. 12.18
Создание комплексной заготовки: а — комплексная заготовка, включающая в себя все элементы простых заготовок; б — простые заготовки, состоящие из сочетаний простых элементов
Групповые операции с успехом применяют для заготовок, цикл изготовления которых ограничивается одной операцией (автоматные и револьверные заготовки, заготовительные процессы, отделочные операции), а также для заготовок, которые после данной групповой операции проходят обработку по индивидуальным процессам или входят в новые группы заготовок, формируемые для других операций. При построении групповых автоматных операций вместо специальных кулачков проектируют групповые кулачки, рассчитанные на обработку наибольших по размерам поверхностей заготовок группы. Обработку группы заготовок на автомате производят без смены кулачков с незначительной подналадкой автоматов, что делает рентабельной автоматную обработку малых партий заготовок (100—200 шт.).
В тех случаях, когда в группу удается объединить заготовки с одинаковым типовым технологическим маршрутом по различным групповым операциям, имеет место групповой технологический процесс. Такой процесс осуществляется на разнотипном оборудовании. При этом все заготовки группы могут последовательно проходить через все операции типового маршрута или часть этих заготовок про-
349
ходит только те операции, которые для них необходимы, а остальные операции маршрута пропускаются. По указанному принципу строят групповые поточные и автоматические линии.
Организация групповой обработки заготовок вращения дает особенно большой экономический эффект и значительно повышает производительность обработки, так как делает возможным перевод обработки заготовок с токарных станков на револьверные и на автоматы при сравнительно небольших партиях заготовок. По опыту Берлинского станкостроительного завода (ГДР) групповую обработку ступенчатых заготовок экономически целесообразно производить на токарном станке при партии заготовок до 15 шт., на револьверном станке — от 15 до 100 шт., на автомате с групповыми кулачками — от 100 до 1900 шт., на автомате со специальными кулачками — свыше 1900 шт.
В настоящее время методы групповой обработки распространены па плоскостные заготовки (типа рычагов и кронштейнов) и, наконец, на корпусные. Групповая обработка таких заготовок связана с дополнительными трудностями базирования их в приспособлениях, так как базирующие поверхности большей частью оказываются различными. В такой же мере различны для них и условия зажима в приспособлениях. В связи с этим организация групповой обработки подобных заготовок непосредственно связана с задачей создания быстропереналаживаемых групповых приспособлений. В приспособлениях создают общую постоянную часть — корпус, к которому прикрепляют сменные элементы для ориентировки и фиксации заготовки. При переходе к обработке другой заготовки данной группы сменные части приспособления быстро заменяют другими сменными деталями без снятия корпуса приспособления со станка.
При одинаковых форме, точности и шероховатости обрабатываемых поверхностей способы их обработки, применяемые станки и инструменты тоже одинаковы. Если характер базирования заготовок аналогичен и позволяет создать общее групповое переналаживаемое приспособление, то в ряде случаев для этих заготовок могут быть разработаны общие групповые операции. Тогда технологический маршрут обработки всех заготовок может быть представлен как определенная последовательность групповых операций, что делает возможным создание многопредметной групповой поточной, а в некоторых случаях даже автоматической линий.
ГРУППОВЫЕ ПОТОЧНЫЕ ЛИНИИ
Применение методов групповой обработки и типизации технологических процессов особенно эффективно, когда на их основе в серийном и мелкосерийном производствах удается создать групповые поточные или даже автоматические линии обработки определенных групп заготовок. Создание подобных линий обычно основывается на сочетании принципов типизации технологических процессов и групповой обработки, на применении общего типового маршрута обработки заготовок по отдельным групповым операциям, выполняемым 350
га станках с групповыми настройками, и при широком использовании групповых, переналаживаемых приспособлений.
Примером такой многопредметной поточной линии может служить линия групповой обработки шпинделей фрезерных станков. Эта линия предназначена для обработки шпинделей различного конструктивного оформления: с хвостовой частью в виде шлицев, с пазами для шпонок и с прикрепленными шпонками, с внутренним конусом в головной части 7 : 24. Обработка поверхностей под подшипники ведется по 5-му квалитету точности. Наименьшая шероховатость поверхности шпинделя Rz = 0,32 мкм. Шпиндели изготов-
Рис. 12.19
Шпиндели, обрабатываемые на групповой поточной линии
ляются из конструкционной стали 55 и легированной стали 12ХНЗА, подвергаемых различным видам термической обработки. Головная и хвостовая части шпинделей подвергаются цементации и закалке. На рис. 12.19 приведены некоторые шпиндели, обрабатываемые на линии, а на рис. 12.20 — чертеж комплексной заготовки.
В течение года на линии проходят обработку 2500 шпинделей 73 типоразмеров длиной 300—1500 мм, диаметром 90—250 мм. Количество заготовок в партии колеблется в пределах от 1 до 30 шт.
Многопредметная групповая поточная линия шпинделей состоит из 20 станков, расположенных в технологической последовательности согласно групповому технологическому процессу обработки шпинделей, и включает в себя токарный станок 11Б732ФЗ с ЧПУ Для предварительной .наружной обработки шпинделя, двухшпиндельный станок для глубокого сверления, четыре шлифовальных станка повышенной точности, пять универсальных токарных станков (горизонтально-фрезерный, вертикально-фрезерный, продольно-фрезерный, шлицефрезерный, радиально-сверлильный) и пять универсальных и специализированных шлифовальных станков.
351
Рабочие места на линии оборудованы индивидуальными пневматическими подъемниками. Передача заготовок с операции на опера-цию осуществляется мостовым краном с дистанционным управлением. На линии используются шесть групповых переналаживаемых приспособлений.
До создания описанной многопредметной поточной линии механическая обработка шпинделей производилась на двух предметнозамкнутых участках в различных механических цехах, что уменьшало количество заготовок в партии, затрудняло применение групповой обработки и вызывало неоправданную межцеховую кооперацию по операции глубокого сверления. Эффективность обработки шпинделей на групповой прямоточной линии по сравнению с их обработкой на предметно-замкнутых участках показана в табл. 12.3.
Таблица 12.3
Сопоставление эффективности обработки шпинделей на групповой поточной линии и на предметно-замкнутых участках
Показатель	Предметао -замкнутый участок		Групповая поточная линия	
	Абсолютное значение	Значение в процентах	Абсолютное значение	Значение в процентах
Трудоемкость, нормо-ч Стоимость оборудования, тыс. руб. Количество занятых станков, шт. Производственные площади, м3 Количество работающих станочников, чел. Длительность производственного цикла, сут.	24,5 432,3 28 1340 25 30	100 VV .100 100 100 100	18,5 331,7 21 1008 17 24	75,6 76,6 75,0 75,2 68,0 80,0
352
ЗНАЧЕНИЕ ГРУППОВОЙ ОБРАБОТКИ И УСЛОВИЯ ЕЕ ОРГАНИЗАЦИИ
Организация групповой обработки по всем возможным ее направлениям (отдельные операции; групповой технологический процесс, т. е. типовой технологический маршрут при групповых операциях; групповая многопредметная поточная линия и, наконец, групповая автоматическая линия) дает большой экономический эффект по ряду показателей работы предприятия.
1.	Повышается производительность обработки за счет следующих мероприятий:
а)	перевода обработки заготовок единичного и мелкосерийного производств с менее производительных на более производительные станки (с токарных на револьверные, с револьверных — на автоматы) и применения для получения исходных заготовок методов литья под давлением, кокильного литья, жидкой штамповки металла, различных методов прессования и штамповки и т. п.;
б)	применения высокопроизводительных групповых приспособлений и групповой оснастки (режущий, вспомогательный инструмент) и проведения малой механизации станков (создание упоров, выключающих устройств, инструментальных головок и т. п.);
в)	сокращения затрат подготовительно-заключительного времени на настройку и переналадку станка, затрат вспомогательного времени и повышения общего коэффициента использования станка по времени;
г)	применения специализированных для выполнения групповых операций высокопроизводительных станков и упрощенных станков с программным управлением для групповой обработки определенных типоразмеров заготовок;
д)	создания в условиях мелкосерийного и серийного производств групповых многопредметных поточных и автоматических линий.
2.	Сокращаются сроки технической подготовки производства и освоения новых производств (во многих случаях для заготовок новых изделий подходят существующие групповые процессы и наладки, уже оснащенные необходимыми средствами производства).
3.	Упрощается и удешевляется проектирование и изготовление специальной оснастки, заменяемой групповой.
4.	Облегчается и удешевляется модернизация станков, приобретающая характер целевой модернизации станков для обработки вполне определенных групп заготовок.
5.	Улучшается технологическая отработка конструкции путем передачи конструкторскому отделу в качестве рекомендуемых типоразмеров деталей технологических классификаторов существующих групповых процессов (в гом числе альбомов чертежей комплексных заготовок).
6.	Создаются большая производственная гибкость метода и неразрывная связь с вопросами организации и планирования производства.
12 Маталин А. А.
353
При формировании группы заготовок учитывают вопросы планирования производства и равномерной загрузки станков. Группу создают не только по технологическим соображениям, но и с учетом необходимости выполнения конкретной производственной программы. При изменении программы состав группы можно легко изменить дополнением новых или исключением заготовок, ставших ненужными.
Практическое осуществление групповой обработки заготовок в условиях единичного и мелкосерийного производств связано с необходимостью преодоления серьезных трудностей организации оперативного планирования. В этом случае на одном станке обычно выполняется обработка нескольких групп заготовок или в дополнение к этому предусматривается еще изготовление ряда заготовок по единичным процессам, требующим особых наладок.
Таким образом, в задачи диспетчера-плановика входит не только обеспечение своевременной подачи определенных заготовок на сборку, но и создание условий для обработки группы заготовок с одной наладки. Требования внеочередного изготовления заготовок, не входящих в группу, на которую настроен станок, разрушают основу групповой обработки. В связи с этим практическое применение групповой обработки требует предварительной проработки вопросов организации и планирования производства, расчета необходимых межоперационных заделов, определения целесообразных размеров партий обрабатываемых заготовок. Следовательно, подготовку группового производства в условиях единичного и мелкосерийного производств необходимо производить совместными усилиями технологов, конструкторов и экономистов, работников планово-производственных служб завода.
Типизация технологических процессов и групповая обработка заготовок представляют собой прогрессивные методы унификации технологических процессов, позволяющие перенести высокопроизводительные методы массового производства в условия серийного. В табл. 12.4 приведено сопоставление этих методов по их основным характеристикам. Каждый из этих методов имеет свою область наиболее рационального применения и в настоящее время успешно используется на различных предприятиях. При этом наибольший успех приносит рациональное сочетание методов типизации технологических процессов и применения групповой обработки с использованием каждого из этих методов в наиболее выгодных для предприятия условиях.
Машиностроительное производство Советского Союза и наиболее передовых в техническом отношении стран мира накопило опыт широкого и успешного применения методов группового производства. При этом установлено, что при широком использовании методов группового производства в среднем достигается: повышение выпуска на одного работающего — на 33 %; уменьшение продолжительности наладки — на 60—70 %; сокращение продолжительности подготовки производства — на 20 %; сокращение цикла производства — на 70 %; повышение загрузки оборудования — 354
Таблица 12.4
Сопоставление методов типизации технологических процессов и групповой обработки
Элемент сопоставления	Технологический процесс	
	ТИПОВОЙ	групповой
Признаки классификации	Конструктивное подобие заготовок, общность технологических операций и технологического маршрута; возможность составления общего технологического процесса на картах-слепышах	Общность элементарных поверхностей, из которых образована конфигурация заготовок, и, следовательно, возможность обработки заготовок на одном оборудовании, одной оснасткой и при одной наладке станка при разнородности конфигурации заготовок
Область рационального применения	Крупносерийное производство небольшого количества наименований конструктивно подобных заготовок (шестерни, ступенчатые валики, кольца и втулки); изготовление нормализованных и стандартизованных заготовок крепежных деталей и режущего инструмента	Единичное мелкосерийное и серийное производства различных заготовок машине- и приборостроения; заготовительные операции (штамповка, прессовка, литье под давлением и др.) в мелкосерийном производстве
Эффективность применения	Повышение качества технологических процессов, ускорение и облегчение их разработки	
	Повышение производительности и экономичности производства при крупносерийном производстве конструктивно подобных заготовок; при производстве нормалей, крепежных деталей и режущего инструмента	Повышение производительности и экономичности производства при изготовлении различных заготовок мелкосерийного машино- и приборостроения
Перспективный охват деталей машиностроения	Деталей общего машиностроения 15—20 %	Деталей машиностроения — 40—50 %, приборостроения — 50-60 %
на 30 %; снижение объема незавершенного производства — на 60 %; общее уменьшение складских запасов — на 40 %.
Указанный эффект применения групповой обработки достигается предприятиями, которые с самого начала создавались в расчете на групповое производство. При организации групповой обработки на основе реконструкции действующих предприятий с традиционной организацией технологических процессов введение групповой обработки дает несколько меньший эффект, однако и в этом случае оно является целесообразным и необходимые затраты на подготовку групповой организации производства быстро окупаются.
12*
355
Глава 13
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ МАССОВОГО ПРОИЗВОДСТВА
$ 13J
ОСОБЕННОСТИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ МАССОВОГО ПРОИЗВОДСТВА
Наиболее характерной чертой развития машиностроительной промышленности XX века явилось возникновение и распространение формы массового производства продукции. В ГОСТ 14.004—83 указано, что под массовым производством понимается производство, характеризуемое узкой номенклатурой и большим объемом выпуска изделий, непрерывно изготовляемых или ремонтируемых в течение продолжительного времени.
Длительное изготовление большого количества одних и тех же изделий делает возможной непрерывную загрузку основной массы станков одними и теми же заготовками, что, в свою очередь, позволяет широко использовать специальные и специализированные станки и автоматы, сложные специальные приспособления и автоматизированные устройства, специальные фасонные и многолезвийные режущие инструменты, высокоточные и автоматизированные контрольно-измерительные устройства и установки. Большие затраты на специальное высокопроизводительное оборудование и технологическую оснастку полностью окупаются в условиях массового производства даже при незначительном повышении производительности труда.
Массовое производство, как правило, строится по принципам полной взаимозаменяемости деталей и узлов машин с исключением методов индивидуальной пригонки. Только в отдельных случаях изготовления особо точных изделий допускается применение метода подбора деталей с их сортировкой внутри допуска (селективная сборка плунжерных пар карбюратора, цилиндров и поршней, поршней и поршневых пальцев автомобильного двигателя и т. п.), однако и в этом случае операции сортировки деталей по возможности автоматизируются. Достижение необходимой точности обработки заготовок осуществляется на настроенных станках по методу автоматического получения размеров с использованием наиболее совершенных и точных исходных заготовок. Осуществление этих принципов приводит к необходимости очень тщательной разработки технологической документации с проведением необходимых точностных и экономических расчетов. На современном предприятии массового производства сборка изделий и изготовление основных деталей производится поточным методом.
Поточная организация производства — это форма организации производства, характеризуемая расположением средств технологического оснащения в последовательности выполнения операций техно-356
логического процесса и специализации рабочих мест (ГОСТ 14.004—83). При этом широко применяются разнообразные сборочные конвейеры и автоматические линии механической обработки. Так, например, на Волжском автомобильном заводе (г. Тольятти) работает свыше 300 автоматических линий и 25 конвейеров, 83 % основного оборудования составляют автоматические линии, станки-автоматы и полуавтоматы с высокой концентрацией операций. Только отдельные заготовки изделий массового производства изготовляются непоточными методами, например, штамповка мелких деталей из листа, изготовление болтов и гаек на высадочных автоматах и выполнение других высокопроизводительных операций, не закрепляемых за определенным оборудованием.
Наиболее характерный для массового производства поточный метод сборки и механической обработки заготовок предполагает постоянное закрепление операций за определенным оборудованием или рабочим местом с расположением их в цехе в последовательности выполнения операций и передачи (ручной или механизированной) заготовок или сборочных единиц непосредственно с одного рабочего места на другое без промежуточного транспортирования на склад или в ОТК.
При разработке технологических процессов обработки заготовок на поточных, и особенно на автоматических линиях, желательно создание общего такта выполнения отдельных операций, т. е. их синхронизация, что существенно способствует повышению коэффициента использования всех станков линии.
С учетом задачи синхронизации операций выбирается структура отдельных операций, применяются параллельная и последовательная обработки, разнообразные многоместные приспособления, наборы режущих инструментов и т. п. Однако обеспечить полную синхронизацию операций обработки заготовок даже на автоматической линии обычно не удается. Так, например, на автоматических линиях обработки двигателя автомобиля «Жигули» трудоемкость отдельных операций колеблется: блока цилиндров в пределах от 0,68 до 1,59 мин, т. е. в 2,4 раза; головки цилиндров — от 0,46 до 0,91 мин, т. е. в 1,98 раза, распределительного вала — от 0,545 до 3,35 мин, т. е. в 6,15 раза, коленчатого вала — от0,070 до 5,45 мин, т. е. в 7,8 раза. Колебания трудоемкости выполнения отдельных операций линии приводят к снижению коэффициента использования отдельных станков линии, однако не являются препятствием для создания линий.
Применение высокопроизводительных многоинструментальных специальных станков и автоматов, многолезвийных фасонных инструментов и автоматизированной технологической оснастки, характерное для массового производства, а также поточных и автоматических линий столь значительно снижает трудоемкость обработки заготовок, что ущерб от недостаточно полного использования отдельных станков линии оказывается полностью компенсированным. Например, станкоемкость механической обработки заготовок трехтонного грузовика в непоточном производстве с небольшим выпуском ко-357
леблется от 600 до 1200 станко-ч, тогда как в поточном производстве и при большом выпуске станкоемкость обработки комплекта заготовок составляет 60 станко-ч или в 10—20 раз меньше.
Особенно резко повышается производительность обработки заготовок на автоматических линиях. Например, при последовательной обработке тормозного диска автомобиля «Жигули» требуется 22 станка с трудоемкостью 3,81 мин, а на автоматической линии достаточно 18 станков при снижении трудоемкости до 1,82 мин. Аналогично этому трудоемкость обработки картера сцепления снижается с 4,95 до 2,94 мин, ведомой шестерни заднего моста — с 1,23 до 0,88 мин и т. д. В среднем сокращение трудоемкости обработки заготовок, благодаря созданию автоматических линий, составляет 40— 50 % при увеличении покупной стоимости оборудования (по сравнению с неавтоматической) на 50—60 %.
Повышение затрат на приобретение автоматического оборудования в массовом производстве быстро окупается значительным сокращением трудоемкости обработки заготовок и сборки машин. Трудоемкость механической обработки комплекта заготовок автомобиля «Жигули» на автоматических линиях составляет всего 17,1 нормо-ч при общей трудоемкости изготовления машины 63,6 нормо-ч.
ОСОБЕННОСТИ ВЫБОРА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ БАЗ И ПРОСТАНОВКИ РАЗМЕРОВ НА ЧЕРТЕЖАХ
Характерная для массового производства обработка заготовок на настроенных станках при полном исключении пробных ходов, замеров и подгонки размеров заготовок делает задачу выбора технологических баз особенно ответственной.
В массовом производстве находят применение все разновидности технологических баз, однако их использование имеет некоторые специфические особенности. При этом наибольший интерес представляют особенности базирования заготовок типа стержней и ступенчатых валиков.
Использование контактных технологических баз. При обработке заготовок вращения на настроенных многорезцовых, гидрокопиро-вальных и круглошлифовальных станках постоянными технологическими базами в большинстве случаев служат центровые отверстия.
Для точного выполнения линейных размеров ступенчатых валиков необходимо обеспечить точную ориентировку обрабатываемой заготовки в осевом направлении, что при обычном выполнении центровых отверстий со значительными колебаниями их глубины является невозможным (рис. 13.1, а). В связи с этим в условиях массового производства ступенчатые заготовки вращения с точными линейными размерами центруют на вполне определенную глубину от торца, контролируемую специальными калибрами.
На рис. 13.1, б показан метод простановки размеров на центровом отверстии с установлением допуска Т на больший диаметр конуса D. Обычно величина Т составляет 0,2—0,4 мм, что ограничивает осевое перемещение вала от 0,17 до 0,35 мм (без учета дополни-358
тельного перемещения, связанного с погрешностью угла конуса отверстия). Простановка размеров, показанная на рис. 13.1, в и г, также ограничивает осевое перемещение заготовок до 0,3 мм, а в необходимых случаях более точной обработки — до 0,2 мм (рис. 13.1, д).
Важно отметить, что указанный на рис. 13.1, в и а метод простановки размеров позволяет связать непосредственным размером
Рис. 13.1	,	,
Разновидности центровых отверстий: а — с колебанием глубины о — с ДО'
пуском на диаметр Г; в и г — с допуском 0,3 мм; д — с допуском 0,2 мм
любую торцовую поверхность обрабатываемой заготовки непосредственно с опорной технологической базой (поверхностью центрового отверстия), исключая промежуточные размеры (в частности, размер а на рис. 13.1, в, определяющий положение внешнего торца). В результате сокращаются соответствующие размерные цепи и повышается точность обработки. Так, в частности, проставлен размер 650 ± 0,25 мм на полуоси заднего моста (рис. 13.2, а), обеспечивающий при токарной обработке постоянство положения торца В относительно настроенных режущих инструментов независимо от глубины зацентровки. По этому же принципу проставлен размер
359
40,4 ± 0,05 мм на шлифование шеек полуоси заднего моста по 0 ЗО+о.оо2 мм, что позволяет выполнить шлифование этой заготовки врезанием при постоянном положении подрезаемого торца относительно шлифовального круга (рис. 13.2, б).
Подобная простановка размеров бывает особенно целесообразной при выполнении черновой и чистовой обработки посредством разных операций при неоднократных установках заготовок для снятия малых промежуточных припусков. Так, например, при токарной
Рис. 13.3
Эскизы обработки коробки дифференциала
обработке коробки дифференциала заготовку из ковкого чугуна закрепляют в патроне по 0 120 мм, обтачивают 0 96,4+^5 мм под шлифование и подрезают торец С внутреннего фланца до размера 15,5 мм (рис. 13.3, а). При этой же опе-
рации подрезают внешний торец до 88,85 ± 0,15 мм и растачивают фаску для центра до 63,85 ±0,15 мм. В процессе следующей операции растачивают вторую фаску для центра, выдерживая размер 10,15 ±0,15 мм от того же внутреннего торца G фланца (рис. 13.3, б). После упрочнения мест под подшипники закалкой токами высокой частоты до 54 HRQ их
шлифуют на круглошлифовальном станке при установке в центрах (рис. 13.3, в). Во время первой шлифовальной операции шлифуют гнезда ведомой шестерни по 0 96_0102 мм — поверхность и заплечики (торец С кругом, наклоненным под углом 30°) и гнезда подшипника но 0 ЗЗ^оов мм (поверхность В), Заготовку устанавливают в жестких центрах по фаскам.
Выполнение в процессе предыдущей токарной операции точного размера 10,15 ± 15 мм, связывающего поверхность опорной базы (фаски) с торцом С, обеспечивает его неизменное положение на станке
относительно торцешлифовального круга и позволяет производить операцию шлифования торца С, снимая заданный припуск 0,15 ± ± 0,05 мм. В связи с тем что колебание положения торца заготовки
360
Рис. 13.4
Выполнение линейных размеров от проверочной базы при установке ступенчатой заготовки в центрах
относительно торца круга при установке заготовки в центрах в пределах допуска ±0,15 мм превышает допуск ±0,05 мм, установленный на снимаемый припуск, перед шлифованием торца корректируют положение заготовки (вместе со столом станка) относительно шлифовального круга. Далее будет объяснено, как это осуществляется. Вторая шлифовальная операция, выполняемая также при установке заготовки в центрах, заключается в шлифовании гнезда подшипника с противоположной стороны гнезда ведомой шестерни (поверхность А, рис. 13.3, в).
При обработке наиболее ответственных заготовок (для исключения влияния погрешности углов конусов центрового отверстия заготовки и центра станка) применяют форму центрового отверстия, изображенную на рис. 13.1, д. Глубину зацентровки контролируют индикаторным прибором с шариковым наконечником, входящим в конус. Прибор опирается на соответствующую базу — торец, от которого проставлен размер, определяющий глубину зацентровки. От этого торца могут быть проставлены все линейные размеры, выдерживаемые при обработке заготовок, установленных в центрах.
Применение проверочной и настроечной баз при обработке в цен
трах. При обработке заготовок на токарных и круглошлифовальных станках с установкой в центрах, патронах или других приспособлениях линейные размеры можно выдерживать от любого торца ступенчатой заготовки, например от торца А (рис. 13.4), даже в том случае, если его положение при установке различных заготовок партии на станке значительно колеблется, смещаясь вдоль оси (в связи с колебаниями глубины зацентровки, влиянием погрешности закрепления в патроне или по другим причинам).
В подобных случаях после установки и закрепления заготовки на станке дается медленная продольная подача стола вместе с заготовкой (рис. 13.4 — слева направо) до соприкосновения торца А, от которого выдерживают заданные размеры а и Ь, с ножкой-Щупом 1 измерительно-наладочного прибора. Для этой цели широко применяют оригинальные приборы «Марпосс». В момент, когда стрелка прибора достигает нулевого положения, прибор автоматически выключает подачу стола. От этого «нулевого» положения стола, т. е. от торца А, производятся автоматический (или полуавтоматический) отсчет заданных линейных размеров а и b и обработка торцов В и С.
В данном случае торец А, по отношению к которому производится выверка положения инструментов и ориентируются обрабатываемые поверхности торцов В и С, является проверочной технологической базой.
361
за данный
0,15*0,025
Рис. 13.5
Обработка настроечной базы
Часто при обработке торцов заготовок по описанному способу после фиксации положения стола в «нулевом» положении сначала обрабатывают торец А со снятием заданного припуска. В подобных случаях с помощью того же измерительно-наладочного прибора дается точное перемещение стола на величину заданного припуска и производится обработка торца при поперечной подаче инструмента (рис. 13.5). После снятия заданного припуска с торца А осуществляется перемещение стола на требуемые размеры а и b для обработки торцов В и С (см. рис. 13.4).
В этом случае обработанный торец А является настроечной технологической базой для обработки торцов В я С (так как он сам был установ и после этого по отношению к нему были ориентированы торцы В и С). Вместе с тем технологической базой для обработки торца А служила проверочная база — тот же торец А (до его обработки), по которому производилась выверка положения стола вместе с заготовкой в продольном направлении. Указанный метод обработки при выдерживании размеров от настроечной базы может быть с успехом применен на станках токарного типа с многорезцовыми державками.
Выбор баз при обработке корпусных и коробчатых деталей дисков, шестерен и фланцев производится и в массовом производстве в соответствии с положениями, изложенными в гл. 6.
Применение принципов постоянства и совмещения баз. В условиях массового производства, основанного на принципах взаимозаменяемости и устранения индивидуальной пригонки заготовок, возрастают требования к точности их обработки, в частности к точности выполнения линейных размеров. Из приведенных ранее примеров и из примеров построения технологических процессов обработки корпусных (блока цилиндров двигателя автомобиля «Жигули») и особо сложных (коленчатый вал) деталей автомобиля видно, что в массовом производстве в ряде случаев приходится выдерживать точность линейных размеров в пределах допусков 1Т6—IT8.
Такая точность может быть достигнута только при условии максимально возможного выполнения принципа постоянства технологических баз на всех или почти всех операциях механической обработки. Так, после создания технологических баз (нижняя плоскость блока цилиндров и два технологических отверстия под установочные пальцы приспособления) все операции обработки блока цилиндра атомобильного двигателя «Жигули» осуществляются только на этих постоянных базах, и от них выдерживаются все линейные размеры (см. § 13.2). Аналогично обработка почти всех поверхностей коленчатого вада производится на базе центровых отверстий. Только при обработке шатунных шеек допускается смена технологических баз, 362
необходимая для обеспечения правильности взаимного расположения сборочных баз коленчатого вала.
Известно, что базами коленчатого вала, используемыми при сборке, являются его коренные и шатунные шейки, поэтому в соот-Еетствии с принципом совмещения (единства) баз для обеспечения наивысшей точности их взаимного расположения необходимо использовать коренные шейки в качестве технологической базы для обработки шатунных. Так и поступают при обработке .коленчатого вала, переходя при обработке шатунных шеек от постоянных технологических баз (центровое отверстие) к другим технологическим базам (коренные шейки), совпадающим с базами, используемыми при сборке.
Широко применяют принцип постоянства баз при обработке головок цилиндров, поршней, шатунов и других важнейших деталей двигателя.
ПОСТРОЕНИЕ ОПЕРАЦИЙ ВЫСОКОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ
Одной из характерных особенностей массового производства является широкое применение операций высокой концентрации, при которых одновременно обрабатывают большое количество поверхностей заготовок специальными фасонными инструментами (фасонные зенкера, фрезы, протяжки, фасонные абразивные круги), на
борами режущих инструментов, устанавливаемых в общих шпинделях, расточных борштангах, фрезерных скалках и суппортах (многорезцовая расточка, хонингование, фрезерование комплектами фрез, шлифование наборами абразивных кругов и многорезцовая обработка), а также параллельно обрабатывают различные поверхности заготовок инструментами, закрепленными в разных шпинделях или суппортах станков,
и совмещают параллельную и по- Рис 13 6
следовательную обработку различ- Шлифование ступенчатой поверхности 11ЫХ поверхностей заготовки при С	“Сработкой торца
одном ее установе. В последнем слу-
чае обработку ведут одновременно достаточно большими комплектами инструментов, последовательно сменяющими друг друга при обработке одних и тех же поверхностей, или комплектами одновременно работающих инструментов, последовательно обрабатывающих различные участки заготовок.
Следует отметить, что шлифование ступенчатых поверхностей с одновременным подрезанием торцов достаточно больших размеров обычно выполняют на круглошлифовальных станках большими кру-Гами (800—1000 мм), оси которых наклонены по отношению коси де-Тали на 30е (рис. 13.6). Периферия и торцовая поверхность подоб
363
ных кругов заправляются соответственно углу наклона оси, а при шлифовании фасонных поверхностей деталей периферия круга заправляется по соответствующему фасонному профилю (сферы, ступенчатые поверхности с незначительной разностью диаметров от-дельных ступеней и т. п.). Шлифование выполняют с обеспечением шероховатости поверхности по цилиндрическим и торцовым поверхностям в пределах — 1,0-нЗ,0 мкм и точности IT6—IT7. При значительной разности диаметров отдельных ступеней и большом расстоянии между шлифуемыми поясками шлифование также проводят врезанием с помощью наборов шлифовальных кругов.
Концентрация обработки в любой из перечисленных ее разновидностей позволяет: повышать точность взаимного расположения обрабатываемых поверхностей за счет устранения влияния погрешности установки; возложить задачу обеспечения требуемой точности взаимного расположения обрабатываемых поверхностей на рабочего инструментального производства (высококвалифицированные рабочие инструментального производства решают задачу получения высокой точности изготовления сравнительно небольших количеств требуемой технологической оснастки более успешно, чем рабочий-оператор основного производства, который должен непрерывно производить высокоточную продукцию массового производства); в связи с уменьшением числа установов заготовки выполнить размеры, проставленные непосредственно от конструкторских баз, или от баз, используемых при сборке (это освобождает от необходимости введения промежуточных технологических размеров с неизбежными пересчетом и ужесточением выполняемых размеров, а также облегчает достижение конструктивно необходимой точности ответственных размеров деталей); значительно сократить основное время обработки заготовок за счет его совмещения и сократить вспомогательное время на установку и снятие заготовки с приспособления благодаря уменьшению общего количества установов; в результате этого повышается производительность обработки.
РАСЧЛЕНЕНИЕ ОБРАБОТКИ НА ЧЕРНОВЫЕ И ЧИСТОВЫЕ ОПЕРАЦИИ
При изготовлении ответственных деталей массового производства обработку наиболее важных поверхностей обычно осуществляют за несколько операций: за три (черновая, получистовая и чистовая) или за две (черновая и чистовая). В процессе черновых (предварительных) операций снимают основную часть припусков на механическую обработку и обеспечивают минимально необходимую и постоянную величину припусков на окончательную обработку.
Разделение процесса обработки на предварительную и окончательную операции имеет очень важное значение для повышения точности размеров и геометрической формы обрабатываемых заготовок. Это объясняется следующими причинами.
364
1.	При снятии основной части припуска во время черновых операций происходит значительное нагревание заготовок, препятствующее достижению высокой точности обработки. Однако конечная точность размеров деталей достигается в процессе чистовых операций и от тепловых деформаций заготовки при ее черновой обработке не зависит.
2.	При снятии значительных припусков и литейных корок происходит удаление наиболее напряженных поверхностных слоев исходных заготовок. Это приводит к перераспределению внутренних напряжений, что, в свою очередь, может вызвать коробление заготовки после ее обработки. Разделение обработки на черновую, после которой может произойти коробление заготовки, и на чистовую, устраняющую погрешности, вызванные короблением, позволяет добиться высокой точности формы обрабатываемой заготовки.
3.	Рассеяние размеров заготовок, связанное с податливостью технологической системы и упругими отжатиями ее элементов, вызываемыми колебаниями твердости обрабатываемого материала, зависит не только от изменения сил резания, но и от абсолютных значений этих сил, возрастающих с увеличением сечения стружки (см. § 3.1). Если основная часть припуска удаляется во время черновых операций, то при чистовой обработке снижается минимальный припуск и развиваются сравнительно небольшие усилия резания, в результате чего обеспечивается требуемая точность. В связи с этим отжатия в технологической системе, а следовательно, и погрешности обработки, связанные с рассеянием размеров, в данном случае невелики.
4.	При черновой обработке заготовок создается минимальный и постоянный по величине припуск на чистовую обработку, благодаря чему рассеяние размеров заготовки при ее чистовой обработке, связанное с колебанием припуска, сводится к минимуму.
5.	Выполнение чистовой обработки на специально закрепленных для этой цели более точных станках инструментом из материала и с размерами, обеспечивающими достижение высокой точности и наименьшей шероховатости при снятии минимальных и поствянных по величине припусков, способствует повышению точности и качества обработанных поверхностей.
Таким образом, разделение процесса обработки на черновые и чистовые операции (или переходы) значительно повышает точность размеров и формы, а также качество поверхностей обрабатываемых заготовок. Связанное с таким разделением увеличение общего количества операций, а следовательно, и производственного цикла изготовления деталей компенсируется в массовом производстве созданием поточных, и особенно автоматических линий, с автоматизацией межоперационного контроля и транспортирования заготовок на конвейерах, исключающего необходимость складирования и межопера-Ционного пролеживания заготовок.
365
$ /5.2
ПРИМЕРЫ ПОСТРОЕНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК НА АВТОМАТИЧЕСКИХ ЛИНИЯХ
Особенности построения технологических процессов обработки заготовок в условиях массового производства хорошо выявляются на примерах обработки таких сложных деталей автомобильного двигателя, как коленчатый вал и блок цилиндров в условиях массового производства автомобиля «Жигули».
ОБРАБОТКА КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА
Коленчатый вал автомобильного двигателя является одной из наиболее ответственных и сложных деталей, отличающихся сложной конфигурацией и высокой точностью размеров и взаимного расположения отдельных поверхностей.
Точность диаметральных размеров шеек коленчатого вала двигателя автомобиля «Жигули» (ВАЗ-2101) определяется допуском 0,02 мм, который приближается к допуску IT5 при допуске на овальность и конусность коренных шеек в пределах 0,007 мм и шероховатости поверхности шеек Ra =0,3 мкм. Большинство линейных размеров ограничены допусками 0,2—0,36 мм, что для размеров 250—360 мм соответствует квалитету IT8, а отдельные линейные размеры изготовляются даже с точностью 1Т7 (например, длина первой коренной шейки со стороны маховика с размером 28 ± 0,025 мм).
Высокая точность диаметральных размеров и правильности геометрической формы требует использования станков наивысшей точности, наиболее совершенного режущего инструмента и контрольноизмерительных устройств.
Изготовление коленчатых валов в условиях массово-поточного производства с ежесуточным выпуском более 2000 шт. делает необходимой организацию технологии производства на принципах наивысшей концентрации операций с широким применением автоматических линий и средств автоматического контроля.
Требуемая от коленчатых валов высокая точцость линейных размеров обеспечивается не только использованием высококачественных автоматизированных станков, по в значительной мере определяется правильностью выбора технологических баз и построения линейных размерных цепей, связывающих отдельные поверхности деталей.
Исходной заготовкой коленчатого вала служит отливка из модифицированного чугуна.
Первую операцию, т. е. обработку торцов и центровку вала с двух сторон, выполнение камеры на заднем конце, контроль положения контргрузов, фрезерование базирующих поверхностей оснастки (рис. 13.7), производят на автоматической линии, состоящей из четырех одношпиндельных горизонтальных головок, расположенных в начале линии по две с каждой стороны; пятишпиндельной головки и еще одной одношпиндельной головки в конце линии. Общий цикл 366
оПераиии составляет 0,97 мин, из которых основное время равно 0 74 мин и вспомогательное — 0,23 мин.
Принципиальной особенностью построения первой операции является центровка вала на вполне определенную глубину относительно черновой технологической базы, т. е. торцовых поверхностей М средней коренной шейки. При этом выдерживается размер 215,2 ± 4-0,15 мм, проставленный от конструкторской базы (ось симметрии торцовых поверхностей Л1).
Подрезание торца А на размер 228,25 ± 0,2 мм от той же черновой базы и второго торца С на размер 487,7 ± 0,3 мм, проставленный от вершины первого центрового отверстия, которое почти при всех операциях обработки вала будет использоваться в качестве постоянной технологической базы, обеспечивает постоянство положения
Рис. 13.7
Обработка коленчатого вала на первой операции
обоих торцов и необработанных торцов коренных и шатунных шеек относительно настроенных режущих инструментов в процессе всей обработки вала.
Все линейные размеры, выдерживаемые в процессе первой операции, включая размеры, определяющие положение и глубину центровых отверстий, контролируются специальными калибрами. Специальными калибрами проверяются при этом габаритные размеры и положения контргрузов.
Вторую-операцию, т. е. предварительную обточку пяти коренных шеек и двух концов, выполняют на многорезцовом станке с загрузочным устройством при установке заготовки в центрах. При подрезании торца В (рис. 13.8, а) задней коренной шейки на размер 52 ± ± 0,15 мм создается настроечная технологическая база (торец В), ОТ которой выдерживают все важные линейные размеры заготовки. Постоянство положения измерительной базы (торец Л), от которой ведут обработку настроечной технологической базы (торец В), относительно настроенного инструмента обеспечивается точным выполнением глубины центрового отверстия (в пределах допуска ±0,15 мм) и точным подрезанием этого торца во время первой операции.
367
s)
0)
Рис. 13.8
Обработка коленчатого вала на второй операции: а — обрабатываемые поверхности и размеры; б — расположение режущих инструментов; в — расположение дополнительных опор
368
Операцию выполняют при высокой концентрации обработки. Одновременно используется до 29 режущих лезвий твердосплавных инструментов (рис. 13.8, б) и выдерживается 14 диаметральных и 14 линейных размеров (рис. 13.8, а) при обеспечении их точности в пределах IT11. Большие силы резания, возникающие при одновременной работе такого большого количества инструментов, могут вызвать деформацию обрабатываемой заготовки, что заставляет использовать дополнительные опоры по поверхностям Р, специально обработанным во время первой операции (см. рис. 13.7). Расположение дополнительных опор показано на рис. 13.8, в. Высокая степень концентрации операции позволяет выполнить всю обработку в течение общего цикла, равного 0,95 мин, из которых основное время составляет 0,69 мин и вспомогательное — 0,26 мин.
Третью операцию, т. е. получистовое шлифование пяти коренных шеек и места под сальник, выполняют на специальном шестикруговом круглошлифовальном станке с загрузочным устройством. Заготовку устанавливают в центрах с поддержкой люнетом.
Шлифование ведется одновременно по шести шейкам. Точность диаметральных размеров достигается с помощью автоподналадчиков. Продолжительность цикла обработки 1,92 мин: при затратах основного времени — 1,52 мин и вспомогательного — 0,40 мин. Задачами третьей операции являются не только снятие части припуска и устранение основных погрешностей заготовки перед выполнением высокоточного чистового шлифования коренных шеек, но и подготовка шлифованием хороших технологических баз для операции обработки шатунных шеек.
Четвертую операцию, т. е. обтачивание четырех шатунных шеек, производят одновременно на специальном токарном станке с автоматической загрузкой.
С целью повышения точности расположения шатунных и коренных шеек в соответствии с принципом совмещения (единства) баз обработку шатунных шеек осуществляют на основных технологических базах — коренных шейках вала (рис. 13.9, е). Для предотвращения прогиба вала под влиянием сил резания используют дополнительную опору—люнет на центральной коренной шейке. Осевое положение вала определяется прижимом его технологической базы — торца В, от которого выдерживают все линейные размеры (рис. 13.9, а), к специальному упору. Осевое перемещение вала слева направо предотвращается дополнительным упором в правый торец вала С.
Для предотвращения скручивания вала значительными силами резания, возникающими при одновременном обтачивании шатунных шеек, вал приводится во вращение поводками с обоих его концов. Обтачивание всех шатунных шеек ведется одновременно при вращении обрабатываемого вала вокруг оси коренных шеек. При этом каждую из шатунных шеек обрабатывают тремя широкими резцами, совершающими со своими суппортами круговое движение вокруг оси коренных шеек вместе с шатунными шейками, аналогичное движению головки шатуна в двигателе. Один из широких резцов обрабатывает центральную часть поверхности шейки, а два резца, двигающиеся
369
ему навстречу, выбирают оставшиеся углы и подрезают торцы (рис. 13.9, б). Обработку ведут при скорости резания 12 м/мин и поперечной подаче резцов 11 мм/мин в начале обработки и 20 мм/мин — в конце. Широкие резцы изготовляются из пластин твердого сплава. На станке одновременно обрабатывают два вала.
Рис. 13.0
Четвертая операция обработки коленчатого вала: а — обрабатываемые поверхности и размеры; б — расположение режущих инструментов: в — расположение опор
Станок, сконструированный по известному принципу одновременного обтачивания шатунных шеек, наряду с требуемой точностью, обеспечивает высокую производительность обработки. Длительность цикла обработки всех шеек двух валов составляет 1,40 мин, при этом основное время — 1,02 мин и вспомогательное — 0,38 мин. Благо-370
даря одновременной обработке двух валов, штучное время составляет всего 0,70 мин.
Пятую операцию, т. е. сверление и зенкерование всех отверстий коленчатого вала, снятие фасок и нарезание резьб метчиками, доводку центровых отверстий, фрезерование шпоночных канавок и др., выполняют на автоматической линии, состоящей из 24 рабочих одно-и многошпиндельных головок. Длительность цикла составляет 0,93 мин, из которых 0,65 мин приходится на основное время и 0,28 мин — на вспомогательное.

Рнс. 13.10
Одновременное шлифование коренных шеек коленчатого вала
Восьмую операцию, т. е. поверхностное упрочнение шатунных и коренных шеек, выполняют на специальной установке токов высокой частоты за три перехода: 1) индукционный нагрев шатунных шеек и охлаждение душем в 2 %-ном водном растворе пассивирующего вещества; 2) то же для коренных шеек; 3) отпуск в горячем воздухе при температуре 160—190 °C до 51 HRCa. Установка расположена в автоматической линии. Штучное время операции — 0,78 мин, основное — 0,72 мин, вспомогательное—0,06 мин.
Девятую операцию, т. е. окончательное шлифование коренных шеек и места под сальник, производят на специальном шестикруговом круглошлифовальном станке с автоматической загрузкой при установке заготовки в центрах с использованием дополнительных опор (аналогично рис. 13.8, е).
Шлифование ведется врезанием одновременно шестью кругами большого диаметра (рис. 13.10) с обеспечением точности IT6 и шероховатости Ra =1,0 мкм при погрешности формы шеек в пределах 0,007 мм. Продолжительность цикла всей обработки — 2,02 мин, основное время — 1,55 мин, вспомогательное — 0,47 мин.
Двенадцатую операцию, т. е. окончательное шлифование диаметров, торцов и радиусов сопряжения четырех шатунных шеек, выполняют на специальном станке для шлифования шатунных шеек с автозагрузкой. Шлифование каждой шейки ведется последова
371
тельно одним кругом, заправленным соответственно профилю торцов и радиусам сопряжения, при обеспечении с помощью автоподналадчика диаметральной точности по IT6 и шероховатости Ra = = 1,0 мкм. Круг совершает движение поперечной подачи и осевые осциллирующие перемещения. Вал устанавливают по крайним коренным шейкам (основные технологические базы), оси которых смещены относительно оси вращения вала на величину радиуса кривошипа. Угловой разворот вала до совмещения оси шлифуемой шатунной шейки с осью вращения с самоцентрирующей их установкой осуществляется на станке автоматически. При этом обеспечиваются соосность шатунных шеек и расположение осей шатунных и коренных шеек в одной плоскости в пределах ±0,25 мм.
Пятнадцатую операцию, т. е. динамическую балансировку валов, производят на специальной автоматической линии, состоящей из двух четырехшпиндельных, шести двухшпиндельных и четырех одношпиндельных головок. Балансировка ведется по двум концам от середины вала с удалением металла сверлением противовесов. При этом требуемое место и глубина сверления определяются автоматически. В заключение проводится третья контрольная балансировка, при которой удаление металла осуществляется шлифованием его с наружной части балансировочных противовесов. Допуск дебалансировки составляет 170 гм/м. <
Двадцатую операцию, т. е. правку коленчатого вала, осуществляют на прессе. После правки вал, установленный в центрах, не должен иметь биения коренных шеек более 0,02 мм. Штучное время (продолжительность цикла) правки — 0,70 мин.
Двадцать первую операцию, т. е. полирование коренных и шатунных шеек и места под сальник, выполняют на специальном полировальном станке с загрузочным устройством. Полирование ведется абразивными лентами с охлаждением керосином. В процессе полирования ленты неподвижны и периодически перемещаются для соприкосновения с шейкой своими неизношенными участками. На эту операцию припуск не предусматривается и обработка ведется за счет допусков на шейки. Достигаемая шероховатость Ra = 0,32 мкм. Продолжительность цикла операции — 0,97 мни, основное время — 0,74 мин, вспомогательное — 0,23 мин.
Двадцать вторая операция — промывка коленчатого вала и обдувка его горячим воздухом.
ОБРАБОТКА БЛОКА ЦИЛИНДРОВ
Блок цилиндров автомобильного двигателя является одной из наиболее ответственных корпусных деталей, определяющих взаимное расположение и точность относительных перемещений подвижных деталей и узлов во время эксплуатации двигателя.
В процессе эксплуатации двигателя поверхности камеры сгорания цилиндров блока испытывают высокие давления и температуру рабочей смеси и подвергаются истирающему воздействию быстро перемещающихся поршней, а блок цилиндров в целом воспринимает
372
динамические нагрузки и вибрации, связанные с работой криво шипно-шатунного механизма и всего двигателя. Тяжелые условия эксплуатации блока цилиндров заставляют предъявлять повышенные требования к качеству его заготовки (отливка из чугуна СЧ 18—36 или СЧ 21—40) и к точности его механической обработки.
Наиболее ответственными поверхностями блока цилиндров являются: верхняя, нижняя и задняя плоскости (отклонение от плоскости 0,05 мм); цилиндры (точность диаметра в пределах 0,06 мм при конусности и овальности 0,02 мм, шероховатости Ra = = 0,32 мкм); отверстия под вкладыши коренных подшипников (допуск 0,03 мм, Ra = 0,32'мкм), под кулачковый распределительный
о)
Рис. 13.11
Первая операция обработки блока цилиндров, создающая технологические базы
2,110,1
260.66210.06
___412 ± о,1 5751 0,055
555,10210,06
547,5 1 0,15
221 0,06
S
1
Отверстие в-место поО срасоммми Визирующий палец
Отверстие А-несто под цилиндрический базирующий папе
70,60210,06 г я к 65,5 ±0,15

вал, под клапаны и масляный насос. Кроме точных размеров все указанные поверхности должны иметь точное взаимное расположение. Так, отклонение от перпендикулярности осей цилиндров к оси коленчатого вала не должно превышать 0,05 мм на длине цилиндра; отклонение от перпендикулярности заднего торца блока к осн отверстий под подшипники коленчатого вала не должно превышать 0,07 мм на длине 100 мм; точность расстояния между осями отверстий для коленчатого и распределительного валов выдерживается в пределах 0,05 мм, а их параллельность составляет 0,1 мм на всю длину блока.
Высокие требования к точности взаимного расположения ответственных поверхностей блока цилиндров могутбыть выполнены только при условии правильного выбора технологических баз, в частности при условии выполнения принципа постоянства баз и совмещения технологических и конструкторских (или используемых при сборке) баз. В качестве основной технологической базы для всех операций обработки ответственных поверхностей блока цилиндров применяются его нижняя плоскость (плоскость крепления картера) и два Цилиндрических отверстия: отверстие 0 16А, специально точно обработанное под цилиндрический центрирующий палец приспособления (отверстие А, рис. 13.11, б), и менее точно обработанное от
373
верстие В, используемое при базировании для фасонного базирующего пальца. Все основные линейные размеры блока цилиндров 'выдерживаются при его обработке от указанных технологических баз.
Сложность конфигурации блока цилиндров создает опасность коробления заготовки в процессе ее механической обработки после снятия литейной корки и удаления припуска. Эти вызывает необходимость построения технологического процесса обработки ответственных поверхностей блока цилиндра с разделением на предварительные (черновые) операции, при которых удаляются литейная корка и основная часть припуска и после которых возможны коробление заготовок, и окончательные, т. е. чистовые операции, обеспечивающие точность размеров и геометрической формы обрабатываемых поверхностей и правильность их расположения относительно других ответственных поверхностей заготовки. Разделение обработки на предварительную и окончательную предотвращает также возникновение погрешностей размеров, связанных с нагреванием заготовки при снятии больших припусков.
В промежутки времени между черновыми и чистовыми ходами заготовка успевает охладиться и при чистовом фрезеровании удается обеспечить точность линейных размеров в пределах допусков 1Т8—IT10. Вся обработка блока цилиндров двигателя автомобиля «Жигули» производится на автоматических линиях со средним тактом 0,9—1,3 мин.
Технологический процесс начинается с предварительных операций фрезерования плоскости крепления картера и мест под крышки, растачивания жесткими фрезерными головками полукруглых мест под подшипники коленчатого вала, фрезерования плоскости крепления головки блока. После снятия литейных корок и основной части припусков на обработку в процессе указанных фрезерных операций производят окончательное фрезерование плоскости крепления картера, окончательное фрезерование и протягивание мест и плоскостей опоры крышек подшипников коленчатого вала, сверление и точную обработку базирующих отверстий А и В для оснастки. На этом завершается создание основной технологической базы — точной плоскости крепления картера Б и искусственных технологических баз— двух отверстий А и В (рис. 13.11), на которых проводится вся дальнейшая обработка блока цилиндров и от которых проставляются все точные линейные размеры.
Чистовое фрезерование правой и левой сторон блока и опорных поверхностей, фрезерование установочных меток для полуподшипников и поверхностей со стороны крепления коробки передач и распределения завершают первую операцию. Она выполняется на автоматической линии, состоящей из 11 рабочих станций и 14 станций с кантователями, устройствами для смены черновых баз при первых позициях, связанных с обработкой постоянных технологических баз, и устройствами для удаления стружки. Обработка плосксс1ей ведется жесткими торцовыми фрезерными головками большого диаметра с твердосплавными ножами без охлаждения при скорости резания ПО м/мин и подаче 1030 мм/мин. Трудоемкость операции со
374
ставляет 0,98 мин, основное время — 0,72 мин и вспомогательное — 0,26 мин.
Вторую операцию, т. е. предварительное растачивание цилиндров и мест под гильзы (рис. 13.12), выполняют на автоматической линии, состоящей из двух станций, имеющих по две позиции обработки. На каждой станции установлено по одному четырехшпиндельному вертикально-расточному станку. Обработку ведут шестирезцовыми расточными головками. На первой станции осуществляют растачивание под гильзу с V = 61,5 м/мин и s = 250 мм/мин с охлаждением эмульсией, при этом одновременно обрабатывают два отверстия (через одно) при противоположном вращении расточных головок (левая головка вращается по часовой, а правая — против часовой  т.ао.)
717 Ч+П 1
Ось места под цилиндрический дозирующий палец
Рис. 13.12
Предварительное растачивание цилиндров и мест под гильзы
стрелки). На второй позиции в том же порядке растачивают под гильзу два других отверстия. На второй станции по такой же схеме за две позиции растачивают цилиндры с подачей, увеличенной до 315 мм/мин.
Базирование блока осуществляют по его технологическим базам, от которых выдерживают все линейные размеры. Штучное время операции — 0,68 мин, основное время — 0,55 мин, вспомогательное — 0,13 мин.
Третья — шестая операции обработки блока цилиндров заключаются в сверлении, зенкеровании, нарезании резьбы метчиками, снятии фасок с многочисленных отверстий, расположенных с разных сторон блока, а также в зенкеровании шеек оси привода масляного насоса и торцовке буртиков под вал. Базирование блока сохраняется на тех же постоянных базах, от которых проставляются основные линейные размеры. Все операции выполняют на автоматических линиях, состоящих из ряда станций, включающих в себя многошпиндельные станки, имеющие несколько позиций.
Сверление многоступенчатых отверстий ведется отдельными сверлами с последовательным углублением, начиная с наибольшего внешнего диаметра. Работа ведется с охлаждением эмульсией. Продолжительность цикла — 0,90—0,95 мин.
375
Седьмая операция, т. е. полуокончательное и окончательное растачивание мест под гильзы, выполняется на линии, состоящей из двух четырехшпиндельных вертикально-расточных станков, имеющих по две позиции. Обработку ведут на постоянных технологических базах, от которых выдерживаются линейные размеры с точностью 0,05 мм, т. е. в пределах допусков IT8—IT10.
На первой станции производят предварительное растачивание отверстий двухрезцовыми головками с одновременным снятием фаски дополнительной режущей пластиной, причем на каждой из позиций одновременно растачивается по два отверстия (через одно) при противоположном вращении шпинделей. На второй станции осуществляют чистовое растачивание отверстий двухрезцовыми головками (без снятия фаски) также при одновременной обработке по два отверстия на каждой позиции, ио с вращением шпинделей в одну сторону, при этом выдерживаются размеры 0 79,5Zo(?2 при Ra — 1,6 мкм. Трудоемкость операции — 0,95 мин, основное время — 0,77 мин, вспомогательное — 0,18 мин.
Шестнадцатую операцию, т. е. окончательное фрезерование с передней и задней сторон и плоскости крепления головки, выполняют на автоматической линии, состоящей из двух фрезерных станков, расположенных друг против друга, за одну позицию. Обработку ведут одновременно торцовыми фрезерными головками с У= 91 м/мин, s = 670 мм/мин без охлаждения. При этом достигается точность линейных размеров, проставленных от постоянных технологических баз в пределах допусков IT7 и 1Т8 при шероховатости Rz = = 20,0 мкм. Продолжительность обработки (штучное время) — 1,34 мин, основное время — 1,17 мин, вспомогательное — 0,17 мин.
Двадцать первую операцию, т. е. полуокончательное растачивание цилиндров и снятие нижней фаски, производят на восьмишпиндельном вертикально-расточном станке. Одновременно растачивают по два цилиндра шестирезцовыми расточными головками при противоположном вращении шпинделей до размеров 0 75,3 ± ± 0,075 мм при Ra — 8 мкм без охлаждения. Фаски растачивают резцами при их подаче снизу вверх. Линейные размеры выдерживают от постоянных технологических баз. Продолжительность цикла обработки — 0,76 мин, основное время — 0,62 мин, вспомогательное — 0,14 мин.
Двадцать вторую операцию, т. е. окончательное растачивание мест под коленчатый вал, под валик привода масляного насоса и под распределительный вал, выполняют на пятипозиционной автоматической линии расточных станков без охлаждения.
При одновременном растачивании всех пяти гнезд под коленчатый вал (рис. 13.13) обеспечивается их диаметральная точность в пределах IT6. Точность расположения осей растачиваемых отверстий выдерживается в пределах допусков ± (0,02—0,025) мм, что соответствует 1Т6 и IT7. Все линейные размеры выдерживают от постоянных технологических баз. Соосность растачиваемых отверстий обеспечивается их одновременным растачиванием набором расточных 376
резцов на общих борштангах. Продолжительность цищ1а (штучное время) — 1,26 мин, основное время— 1,0 мин, вспомогательное — 0,26 мин.
Двадцать третью операцию, т. е. окончательное растачивание цилиндров, осуществляют на двухпозиционном четырехшпиндельном вертикально-расточном станке двухрезцовыми расточными головками с охлаждением маслом, со скоростью 74,5 м/мин, подачей 62 мм/мин, при снятии припуска 0,14 мм с диаметра. Одновременно растачивают два цилиндра с последующим снятием фаски. Точность
Рис. 13.13
Многорезцовое растачивание отверстий в заготовках блока цилиндров
диаметра достигается в пределах допуска IT6 при шероховатости Rz — 20 мкм. Под окончательное хонингование цилиндров оставляют припуск в пределах 0,03—0,6 мм на диаметр.
Блок базируется на постоянных технологических базах, от которых выдерживаются линейные размеры; точность последних для данной операции повышена (допуск ±0,05 мм против ±0,1 мм для двадцать первой операции). Продолжительность цикла обработки — 1,33 мин, основное время — 1,10 мин, вспомогательное — 0,23 мин.
Двадцать четвертую операцию, т. е. полуокончательное и окончательное хонингование цилиндров, выполняют на автоматической линии, состоящей из двух четырехшпиндельных двухпозиционных хонинговальных станков. На первой позиции линии (первый станок) одновременно предварительно хонингуют два цилиндра (через один), а на второй позиции того же станка окончательно хонингуют эти же
377
цилиндры (рис. 13.14). На третьей и четвертой позициях линии (т. е. на первой и второй позициях второго станка) в том же порядке предварительно и окончательно хонингуют два оставшихся цилиндра.
Хонингование ведут алмазными брусками, закрепленными в плавающих (самоустанавливающихся) головках (по четыре бруска в каж-дой головке), с охлаждением керосином. За предварительное и окончательное хонингование с диаметра снимают припуск в пределах 0,03—0,06 мм при достижении точности IT7 при шероховатости Ra = 1,25 мкм. Обработку выполняют на постоянных технологических базах.
Линейные размеры (межцентровые расстояния) в процессе данной операции не изменяются (так как хоны — плавающие), и
поэтому не контролируются. Продолжительность цикла обработки — 1,59 мин, основное время — 1,50 мин, вспомогательное— 0,09 мин.
В дальнейшем производят точное измерение цилиндров и каждое цилиндровое отверстие клеймят буквами А, В, С, D, Е, соответствующими фактическим диаметрам отверстий цилиндров в миллиметрах, указанным ниже.
Рис. 13.14
Полуокончательиое и окончательное хонингование цилиндров
А.................... 76,000—76,010
В.................... 76,010—76,020
С.................... 76,020-76,030
D ......... 76,030-76,040
Е.....................76,010—76,050
Двадцать пятую операцию, т.
По этим размерам при сборке двигателей подбирают соответствующие поршни (селективная сборка).
е. окончательное хонингование
мест под коленчатый вал, выполняют на горизонтально-хонинговальном станке одновременно пятью хонинговальными головками, расположенными на общей штанге (рис. 13.15). Каждое отверстие хонингуют четырьмя абразивными брусками. Штанга с брусками направляется в отверстия бакелитовыми направляющими колодками.
Охлаждающая жидкость — керосин. Припуск снимают при Д°' стижении точности IT6 и шероховатости Ra = 1,6 мкм. Соосность обрабатываемых отверстий обеспечивается расположением одновременно работающих брусков на общей штанге. Продолжительность цикла — 0,97 мин, основное время — 0,90 мин, вспомогательное --0,07 мин. Затем производят промывку и продувку блоков, завинчивание пробок, пневматические и гидравлические испытания на гср'
378
метичность и визуальный контроль. На специальном стенде с пневматическими приборами осуществляют точное измерение размеров цилиндров с маркировкой соответствующих групп (см. выше). При этом некоторая часть цилиндров (до 100 %) проходит дополнительное хонингование на одношпиндельном хонинговальном станке.
Приведенные материалы показывают, что наиболее характерными особенностями современного массового производства являются: широкое применение автоматических и поточных линий с возможно более полной синхронизацией операций в едином такте их выполнения; высокая степень концентрации обработки с применением методов параллельной и одновременной обработки большого коли-
Рис. 13.15
Окончательное хонингование мест под коленчатый вал
чества поверхностей деталей многолезвийными и фасонными инструментами, комплектами инструментов, установленными на одном шпинделе, и одновременной многошпиндельной обработки различных поверхностей; автоматизация операций механической обработки, сборки, контроля и межоперационного транспортирования заготовок (с непрерывной передачей заготовок с операции на операцию без их промежуточного складирования); высокая точность обработки заготовок, обеспечивающая их полную взаимозаменяемость или использование метода селективной сборки; тщательный выбор технологических баз (с использованием баз, одновременно являющихся конструкторскими или сборочными) во всех случаях необходимости Достижения высокой точности размеров заготовок; расчленение операций на черновые, получистовые и чистовые; применение автоматического контроля и подналадки станков в процессе выполнения операций, обеспечивающих сохранение установленной при наладке точности обработки; значительное повышение производительности, снижение длительности производственного цикла и себестоимости обработки, а также повышение выпуска продукции с единицы производственной площади, благодаря внедрению поточных и автоматических линий.
379
Глава 14
ОСОБЕННОСТИ
ПОСТРОЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК НА СТАНКАХ
С ПРОГРАММНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ
§ 14.1
ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СТАНКОВ С ПРОГРАММНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ
ЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ СТАНКОВ С ЧИСЛОВЫМ ПРОГРАММНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ (ЧПУ)
Серийное и мелкосерийное производства, выпускающие до 75—80 % общей продукции машиностроения, характеризуются большими затратами рабочего времени на выполнение вспомогательных операций. Известно, что в общей структуре нормы времени на выполнение технологической операции в общем машиностроении основное технологическое время составляет всего 20—30 %, а 70—80 % затрат времени падает на вспомогательное время.
Основным направлением сокращения затрат вспомогательного времени является автоматизация производственных процессов. Однако автоматизация в условиях мелкосерийного производства посредством применения высокопроизводительных станков традиционного исполнения (револьверных, агрегатных и многорезцовых станков, кулачковых одношпиндельных и многошпиндельных автоматов и автоматических линий) практически невозможна в связи с их высокой стоимостью, большими затратами на технологическую оснастку и очень большой трудоемкостью предварительной наладки станков. Все эти затраты, отнесенные на себестоимость нескольких штук или нескольких десятков и даже сотен штук обработанных заготовок мелкосерийного и серийного производств, делают стоимость их изготовления непомерно высокой.
Одним из главных направлений автоматизации процессов механической обработки заготовок мелкосерийного и серийного машиностроения является применение станков с числовым программным управлением (ЧПУ). Под числовым программным управлением (ЧПУ\ (ГОСТ 20523—80) понимается управление обработкой заготовкой на станке по управляющей программе, в которой данные приведены в цифровой форме. При этом управляющая программа представляет собой совокупность команд на языке программирования, соответствующих заданному алгоритму функционирования станка по обработке конкретной детали.
Станки с ЧПУ представляют собой полуавтоматы или автоматы, все подвижные органы которых совершают рабочие и вспомогательные 380
движения автоматически по заранее установленной программе, записанной на бумажной перфорированной (иногда на магнитной) ленте или диске. Сложные, дорогостоящие в изготовлении и требующие трудоемкой наладки кулачки, копиры и упоры в системах ЧПУ не требуются, что значительно удешевляет и ускоряет их наладку и делает рентабельным применение станков с ЧПУ при обработке малых партий, а в некоторых случаях даже единичных заготовок (особенно при высокой сложности конструкций последних).
Эффективность применения станков с ЧПУ выражается: а) в повышении точности и однородности размеров и формы обрабатываемых заготовок, полностью определяемых правильностью программирования и точностью автоматических перемещений соответствующих узлов станка; это особенно важно при обработке конструктивносложных заготовок, имеющих точные фасонные поверхности н большое число выдерживаемых размеров; б) в повышении производительности обработки, связанной с уменьшением доли вспомогательного времени с 70—80 % для обычных станков с ручным управлением до 40—50 % (при использовании обрабатывающих центров до 20— 30 %), а в некоторых случаях и с интенсификацией режимов резания; в среднем при переводе обработки на станки с ЧПУ производительность возрастает: для токарных станков — в два-три раза, для фрезерных — в три-четыре раза и для обрабатывающих центров (ОЦ) — в пять-шесть раз; в) в снижении себестоимости обработки, связанном с повышением производительности, понижением требований к квалификации станочника, а в ОП и в снижении затрат на приспособления, потребность в которых (в связи с обработкой заготовок с одного установа) значительно уменьшается; г) в значительном снижении потребности в высококвалифицированных станочниках, связанном с упрощением изготовления сложных и точных заготовок на настроенных и автоматически работающих станках с ЧПУ, а также с применением их многостаночного обслуживания; в современных условиях острого дефицита высококвалифицированных рабочих-станочников на машиностроительных предприятиях расширение применения станков с ЧПУ способствует решению крупной народнохозяйственной проблемы дальнейшего развития промышленности.
Применение станков с ЧПУ в промышленности страны развивается в двух направлениях.
Первое направление — обработка очень сложных заготовок уникальных деталей, имеющих сложную конфигурацию и различные фасонные поверхности, изготовление которых на традиционных станках невозможно или требует больших затрат времени и труда, в том числе высококвалифицированного или тяжелого физического труда (турбинные лопатки, роторы, фасонные поверхности гребных винтов, рабочих колес гидротурбин и т. п.). Целесообразность применения станков с ЧПУ в подобных случаях бесспорна и не требует особых доказательств.
Второе направление — обработка заготовок обычных машиностроительных деталей с точностью IT6—IT8 и шероховатостью
= (З-т-10) мкм. Экономическая целесообразность применения
381
1979 1978 1978 98} Годы
Рис. 14.1
Развитие производства станков с ЧПУ в СССР с 1971 ио 1981 гг.
станков с ЧПУ в этом случае определяется конфигурацией и серий, ностью обрабатываемых заготовок и обычно оправдывается прй партиях, содержащих 15—25 шт. и более. Однако (даже при от-сутствии денежной экономии от применения станков с ЧПУ) решающее значение может иметь снижение потребности в рабочих высокой квалификации.
Опыт развития промышленности свидетельствует о целесообразности создания по возможности крупных участков станков с ЧПУ обслуживание которых в этом случае существенно упрощается. Экономическая эффективность использования сравнительно дорогих станков с ЧПУ (особенно ОЦ) повышается при их двух- и трехсменной работе и устранении простоев.
Необходимо отметить, что гибкость систем числового программного управления станками и простота их включения в общие системы управления от единой вычислительной машины делают
целесообразным применение станков с ЧПУ и в условиях массового производства (в том числе и в составе автоматических линю ). Это стало особенно важным в связи с ускорением техническою прогресса, требующим быстрого обновления и смены выпускаемых моделей даже в условиях установившегося массовового производства.
Расширение использования станков с ЧПУ является в настоящее время одним из главных направлений технического прогресса машиностроения страны. Отечественное станкостроение быстро расширяет производство этого вида станков (рис. 14.1) и в настоящее время выпускает практически все модели станков с ЧПУ, требуемые для организации современного производственного процесса.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СТАНКОВ С ПРОГРАММНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ
Системы программного управления и их возможности. Станки с программным управлением (ПУ) по конструкции системы управления подразделяются на станки с цикловым и числовым управлением.
Системы циклового программного управления позволяют запрограммировать последовательность и скорость перемещений подвижных органов станка. Такая программа задается путем определенного набора коммутирующих элементов (штеккеров, переключателей) за панели управления или на штеккерном барабане. При этом величины перемещений подвижных органов непосредственно в состав программы не входят, а определяются переналаживаемыми электроупорами.
382
Цикловая система управления обычно встраивается в станок, почти не увеличивая его габаритных размеров (например, фрезерный станок модели 6А12П). Стоимость циклового станка лишь немного превышает стоимость однотипного универсального. Однако настройка станка с цикловым ПУ требует значительного времени.
В связи с этим такие станки могут быть экономично использованы только при достаточно больших размерах партий обрабатываемых заготовок (среднесерийное, крупносерийное производство). Следует отметить, что в новых конструкциях цикловых систем управления программа часто задается на перфоленте, что несколько упрощает п ускоряет настройку. Вместе с тем наиболее длительная операция установки кулачков электроупоров на размер остается. Системы циклового ПУ с перфолентой в отличие от систем числового программного управления называются размерно-упорными системами программного управления.
Существенной отличительной особенностью станка с числовым программным управлением является то, что вся программа его работы записывается на программоносителе (перфоленте, магнитной ленте, магнитном диске) в виде комбинаций отверстий, выражающих цифры, а также буквы и другие символы. В состав такой программы входят и числовые значения перемещений подвижных органов, что составляет принципиальное отличие станка с ЧПУ от станка с цикловым ПУ. Переналадка станка с ЧПУ, включая смену программы, требует незначительного времени, поэтому эти станки наиболее пригодны для автоматизации серийного и мелкосерийного производств.
Станок с ЧПУ оборудуется устройством числового программного управления (УЧПУ), т. е. электронным устройством со встроенной панелью управления, размещаемом в отдельном шкафу, который обычно монтируется рядом со станком. Комплект УЧПУ вместе с рабочими органами станка образует систему ЧПУ.
В настоящее время существует достаточно большое разнообразие систем ЧПУ, выпускаемых серийно. Однако станки и системы конструируются с таким расчетом, чтобы каждый станок легко мог быть оборудован различными УЧПУ как отечественного производства, так и зарубежных фирм. Это позволяет создавать на одной базе станки различной стоимости и различного технологического назначения.
Управляющая программа для обработки заготовки на станке ЧПУ записывается на программоносителе в виде отдельных блоков информации или кадров, разделенных определенными знаками • рис. 14.2). Каждый кадр программы содержит информацию, необходимую для выполнения станком некоторой группы команд. В состав одного кадра могут входить: требуемые значения перемещений инструмента по осям координат, подача, скорость вращения шпинделя, а также другие данные, необходимые для выполнения станком заданного цикла работы, например команды на включение и выключение охлаждения, указания о направлении движения рабочих органов станка и др.
Практически в производственных условиях управляющей про-•раммой называют программоноситель с нанесенной на нем в том
383
или ином коде информацией о полном цикле обработки заготовки на данном станке. Исходной документацией для разработки управляющей программы является чертеж обрабатываемой заготовки, технологическая карта, а также расчетно-технологическая карта (РТКА или схема движения инструментов при обработке. Эта документация при ручном способе подготовки программ позволяет технологу-программисту заполнить карту программирования, по которой из-
Рис. 14.2
Расположение кадров программы на перфоленте
готовляется управляющая программа.
В большинстве случаев управляющую программу выполняют с помощью перфоратора в виде перфоленты, на которой всю необходимую информацию записывают в том или ином коде. Однако в отдельных случаях управление работой станка может осуществляться от магнитной ленты. Информация на такую ленту переписывается с предварительно изготовленной перфоленты через специальное вычислительное устройство (интерполятор) в так называемом декодированном (расшифрованном) виде или в унитарном коде. Такая запись представляет собой следующие один за другим магнитные штрихи, распо-
ложенные вдоль дорожки кадра магнитной ленты.
Системы ЧПУ по характеру управления движениями рабочих органов станка делятся на две группы: позиционные (координатные) и контурные (непрерывные).
Позиционное управление (ГОСТ 20523—80) представляет собой
числовое программное управление станком, при котором перемещение его рабочих органов происходит в заданные точки, причем траектории перемещения не задаются.
Задачей позиционной системы программного управления (ПСПУ) в большинстве случаев является обеспечение точной установки инструмента или заготовки в рабочую позицию, при этом перемещение от одной позиции к следующей осуществляются без функционал’ связи между координатами станка. Такие системы применяются ш жде всего на расточных и сверлильных станках, где важно обе^ чить только высокую точность совмещения оси шпинделя с осью обрабатываемого отверстия, тогда как скорости перемещения подвижных органов и траектории инструмента при переходе от одного отверстия к другому непосредственно с точностью обработки нс
связаны.
384
Однако позиционные системы в отдельных случаях используются и на токарных станках. Здесь применяют такие ПСПУ, которые позволяют обеспечить рабочие подачи резца по траекториям, складывающимся из отдельных последовательных прямолинейных перемещений по двум взаимно перпендикулярным направлениям. При таком управлении на токарном станке можно обрабатывать ступенчатые валики со снятием фасок, точением канавок, а также фасонные поверхности фасонными резцами. Применение ПСПУ на фрезерном станке позволяет выполнять обработку нескольких плоскостей, параллельных координатным плоскостям и расположенных на различных уровнях.
Контурное управление (ГОСТ 20523—80) — это числовое программное управление станком, при котором перемещение его рабочих органов происходит по заданной траектории и с заданной скоростью для получения необходимого контура обработки. Контурная система ЧПУ предназначена для управления совместными движениями двух или нескольких рабочих органов при наличии непрерывной функциональной связи между ними, что необходимо для обработки заготовок сложной конфигурации, ограниченных криволинейными поверхностями. Такими системами оснащаются обычно токарные и фрезерные станки, так как контурное управление значительно гасширяет их технологические возможности по сравнению с ПСПУ. Следует отметить, что контурные системы могут работать и в позиционном режиме. В связи с этим с точки зрения унификации систем их можно было бы применять и для позиционных станков (расточных, сверлильных). Однако использование сравнительно дорогих контурных систем только в позиционном режиме неэффективно, так как их основные структурные элементы при этом не функционируют.
Кроме упомянутых систем ЧПУ существуют еще две разновидности систем, которые условно относятся к программным и обеспечивают частичную автоматизацию выполнения отдельных элементов цикла без применения программоносителей. К ним относятся системы цифровой индикации положения и системы цифровой индикации с ручным вводом данных.
Системы цифровой индикации (визуализаторы) применяются на обычных универсальных станках практически без всякой их переналадки. На экране (световом табло) такой системы непрерывно указываются численные значения координат подвижных органов станка. Сигналы информации поступают в визуализатор от датчиков положения, устанавливаемых на подвижных органах.
Часто система кроме визуализатора оборудуется пультом с па-"елью набора значений координат, на которые должны выйти подвиж-органы станка после включения движения подачи. Такая система
Звается системой цифровой индикации с ручным вводом данных. Правильность отработки набранных координат контролируется по визуализатору. Системы ручного ввода и цифровой индикации в основном предназначены для сокращения времени на контроль размеров заготовок в процессе обработки и заметно повышают производительность операций.
13 Маталин А. А.	385
В соответствии с рассмотренной 'классификацией систем по характеру управления введена специальная индексация в обозначениях моделей станков с ЧПУ. Согласно этой индексации, после олюсного
обозначения модели станка ставится один из следующих индексов:
Ц — станки с никловым управлением; Ф1—станки с цифровой илдакапией положения, а также с ручным вводом данных; Ф2 —
станки с ПСГТУ; Ф'З —станки с контурными системами управления.
Кроме того, введены индексы, отражающие конструктивные особенности станка, связанные с автоматической сменой инструмента;
Р—смена инструмента поворотом револьверной головки; М — смена инструмента из магазина. Индексы Р и М ставятся перед индексами Ф2 и ФЗ. Например: РФ2 —
₽нс. 14 Л Стаидчипше системы *<мч цинат в стайках с ЧПУ
станки с ПСПУ с револьверной инструментальной головкой; МФЗ — станки с контурной системой управления с магазином инструментов,
В обозначениях отдельных моделей станков с ЧПУ (обычно специальных исполнений) приведенная индексация не используется.
В обозначениях некоторых моделей станков используются также индексы Ф4 и Ф5. Они присваиваются станкам особой группы, называемым обрабатывающими центрами (ОЦ), представляющим собой многоинструментные станки с ЧПУ с автоматической сменой ин
струмента из инструментального магазина. Индекс Ф4 присваивается обрабатывающим центрам с позиционными системами управления, а Ф5 — обрабатывающим центрам с контурными системами управления.
Программирование движений рабочих органов и выполнение заданных перемещений в станках с ЧПУ тесно связаны с системами
координат.
Расположение и обозначения осей координат, отвечающие направлениям независимых управляемых движений (управляемых координат) в современных станках, обычно принимаются в соответствии со стандартом JSO-R841 Международной организации по стандартизации. В основу положена правая система координат с осями X, У, Z, которые указывают положительные направления движения инструментов относительно неподвижной заготовки. Если инструмент неподвижен, а движется заготовка относительно инструмента, то соответствующие ее положительные перемещения, направленные в противоположные стороны, обозначаются буквами X', ¥', (рис. 14.3).
За положительные направления перемещений подвижных органов принимают такие их перемещения, при которых инструмент и заготовка удаляются друг от друга. На горизонтально-расточном станке за положительные принимаются: движение шпиндельной
386
бабки вверх по стойке (рис. 14.4, а) и движение саней стола в направлении от шпиндельной бабки; для пиноли положительным считается ее движение в обратном направлении.
Кроме перечисленных принципов расположения осей пользуются следующими правилами: ось X всегда располагают горизонтально, а ось Z совмещают с осью вращения инструмента. Лишь в токарных станках ось Z совмещают с осью вращения заготовки (рис. 14.4, б).
Рис. 14,*
Ос» кшрвшдег на сташикх с ЧП.У: а — горнз<ми:альн»-ра£точшм< б — то*гцшоя; • — в«р-тикалыгом консально-фрезериом: г — сверлильном и бескоисолыго-фрезернои
Если в станке кроме движений по трем основным, координатам имеются программируемые перемещения других органон в параллельных направлениях, та соответствующие вторичные и третичные оси обозначаются буквами: U, V, W — вторичные оси; Р, Q, R — третичные оси.
Круговые перемещения инструмента относительно заготовки считаются положительными при направлении против часовой стрелки, если смотреть на острие соответствующей оси координат.. При этом поворот вокруг оси X обозначается буквой А, вокруг оси Y — буквой В, вокруг оси Z—С. В случае круговых, движений заготовки положительные направления меняются на обратные, а угловые координаты обозначаются А', В', С'.
Для программирования обработки и выбора метода простановки размеров в чертежах обрабатываемых заготовок важное значение имеет способ и начато отсчета перемещений по каждой оси. Б си-
13*	387
сгемах ЧПУ используются два различных способа отсчета: абсолютный и относительный (в приращениях)
При абсолютном способе отсчета положение начала координат остается фиксированным (постоянным) для всей программы обра-ботки. На программоносителе записываются абсолютные значения координат последовательно расположенных опорных точек. До-стоинство такого способа отсчета состоит в том, что станок каждый раз отрабатывает заданные координаты (расстояния) от одной и той же точки. Следовательно, отсутствует процесс накопления ошибок отработки перемещений, а значит, достигается высокая точность позиционирования рабочих органов. Для удобства составления программ и настройки станков абсолютное начало координат может быть выбрано в любом месте в пределах рабочих ходов подвижных органов. Такое начало координат называется «плавающим нулем». Рассмотренный способ отсчета применяется главным образом в позиционных системах (ПСПУ) на расточных и сверлильных станках и обрабатывающих центрах с позиционным управлением. При абсолютном способе отсчета размеров целесообразно применять координатный метод простановки размеров в обрабатываемых заготовках.
В системах с относительным способом отсчета координат за нулевое каждый раз принимается положение исполнительного органа, которое он занимал перед началом очередного перемещения к следующей опорной точке. В программу в этом случае записывают приращения координат при переходе от предыдущей к последующей точке. Первая опорная точка программы называется исходной точкой или старт-точкой. Она выверяется при настройке станка и играет роль начала координат, от которого рассчитывается программа обработки данной конкретной заготовки. Такой способ отсчета используется почти во всех современных контурных системах ЧПУ. При этом наиболее рациональной является простановка размеров цепочкой. Однако точность положения рабочего органа при этом в каждый момент времени зависит от точности отработки координат предыдущих опорных точек. Ошибки в отработке отдельных перемещений здесь могут накапливаться. В связи с этим в последнее время наметилась тенденция к использованию абсолютного метода отсчета координат и в контурных системах ЧПУ.
По числу управляемых движений (координат) системы ЧПУ могут быть двух-, трех-, четырех-, пяти- и многокоординатными. В позиционных системах движения по отдельным координатам могут осуществляться хотя и одновременно, но не согласованно. Для контурных систем важной характеристикой является число одновременно и согласованно управляемых координат. Однако некоторые контурные системы ЧПУ построены так, что согласованные перемещения возможны не по всем координатам одновременно, а только при отсутствии движения по одной из осей координат. Такие системы с одной неполной координатой иногда обозначают дробным числом, добавляя к целому числу одновременно и согласованно работающих координат еще половину координаты. Например, четырех координатная 388
система с одной неполной координатой может быть обозначена как 3,5-координатная. Число управляемых координат является важной технологической характеристикой станка.
Для обработки заготовки любой конфигурации на токарном станке обычно достаточно двух координат по числу двух основных направлений подач — продольной и поперечной. Для токарного станка, оснащенного двумя суппортами (например, станок модели 1734ФЗ), становится необходимой четырехкоординатная система управления. Сверлильные станки с ЧПУ обычно являются двухкоординатными, поскольку основная задача состоит в совмещении инструмента с осью отверстия. Для расточных станков чаще применяют трех координатные системы. Фрезерные станки должны иметь не менее трех одновременно управляемых координат для обработки сложных криволинейных поверхностей пространственными строчками. Установлено, что наиболее рациональными являются пятикоординатные фрезерные станки, у которых дополнительно программируются повороты заготовки и наклоны инструмента, что позволяет обработать труднодоступные участки поверхности и улучшить в отдельных случаях условия резания.
Современные системы ЧПУ позволяют изменять режимы резания в процессе обработки заготовок внутри отдельных переходов. Это создает принципиально новые возможности оптимизации процессов обработки сложных фасонных поверхностей (например, рабочих поверхностей крупногабаритных турбинных лопаток) посредством назначения наиболее рациональных режимов обработки отдельных участков поверхностей, обеспечивая их высокое качество и снижение затрат машинного времени на 20—25 %.
Наличие на современных станках с ЧПУ систем, позволяющих производить ручное редактирование программ непосредственно с пульта станка, существенно упрощает и ускоряет трудоемкий процесс отработки новых программ.
Технологические возможности токарных станков с ЧПУ. Технологические возможности этих станков определяются многими факторами, доминирующими из которых являются конструкция, компоновка, класс точности станка и техническая характеристика системы ЧПУ.
Современные токарные станки оснащают контурными системами ЧПУ с линейно-круговым интерполятором и устройством для нарезания резьбы, обеспечивающими широкие технологические возможности станков. Такие системы позволяют производить обработку Заготовок сложного профиля, нарезание резьбы, коррекцию положения режущей кромки инструмента и обеспечивают высокую скорость холостых перемещений. Для использования технологических возможностей станка имеет значение его техническое оснащение, поставляемое со станком: зажимные приспособления, режущий инструмент, вспомогательная оснастка, контрольные приспособления. Важной задачей является унификация инструмента, и в первую очередь форм инструментальных державок и деталей для крепления резцов.
389
Токарные станки с ЧПУ обычно обеспечивают точность обработки заготовок по IT6 с шероховатостью цилиндрических поверхностей и конусов с малыми углами при вершине Rz = 64-12 мкм. При обработке сложных фасонных поверхностей и конусов с большими углами обеспечивается /<=20 мкм. Нарезание резьбы ведется по 3-му классу точности.
При настройке инструментов на размер в специальном оптическом приспособлении вне станка их установка в головку производится без дополнительной выверки. Погрешность настройки инструмента вместе с бесподналадочным переносом ла станке находится в пределах ±0,02 мм (станок 16К20ФЗ).
Современные токарные станки с ЧПУ снабжаются револьверными головками или магазинами сменных резцовых блоков, позволяющими осуществлять автоматическую смену режущего инструмента по заданной программе. Кроме того, некоторые токарные станки с ЧПУ снабжаются дополнительными устройствами для выполнения поперечных работ (сверление и фрезерование), продольных осевых работ (аналогично револьверным станкам) и лаже для обработки при остановленном шпинделе эксцентрично расположенных элементов заготовки.
Настройка новейших моделей станков с ЧПУ осуществляется с использованием специальных датчиков касания, которые одновременно служат и для коррекции положения инструмента в связи с его износом. Верхние пределы частоты вращения шпинделей у новейших станков с ЧПУ повышаются до 60 Ю обмин.
Для устранения переустановок заготовок, обрабатываемых на токарных станках с ЧПУ в центрах, рекомендуется применение зубчатых утопленных поводковых центров. Все это значительно расширяет технологические возможности этих станков.
Технологические возможности фрезерных станков с ЧПУ. В отличие от токарных станков большинство фрезерных станков с ЧПУ построены на базе универсальных моделей с ручным управлением. Специализированные фрезерные станки с оригинальной компоновкой и инструментальным магазином образовали отдельную группу обра-батывающи х центров (ОЦ).
В конструкцию станков с ЧПУ по сравнению с базовыми моделями внесены принципиальные изменения, которые позволяют эффективно использовать возможности программного управления. В кинематических цепях подач применяют точные (как правило) безлкфтовые зубчатые передачи и винтовые шариковые пары. Жесткость отдельных узлов станка с ЧПУ значительно выше, чем жесткость аналогичных узлов базовых моделей. Все это обеспечивает более высокие точность и производительность станка.
На станках с ЧПУ можно производить обработку как при встречном, так и при попутном фрезеровании. Современные фрезерные станки оснащают контурными системами ЧПУ с линейно-круговым интерполятором, которые обеспечивают управление по трем и более координатам. Последние модели систем ЧПУ имеют блок смещения эквидистанты, с помощью которого осуществляют обработку по
390
одной программе как новыми, так и переточенными фрезами с компенсацией уменьшения их диаметра при переточке.
Фрезерные станки е ЧПУ выпускают с вертикальным и горизонтальным расположением шпинделя, консольными и бесконсоль-ными, с ручной и автоматической сменой инструмента, с прямоугольным и круглым столами, управляемыми по трем и более координатам.
Технологические возможности того или другого фрезерного станка в значительной степени определяются количеством управляемых (в том числе одновременно по программе) координат. Большинство отечественных фрезерных станков с ЧПУ управляются одновременно по трем координатам. Этого достаточно для объемной обработки заготовок, но такое управление не всегда обеспечивает оптимальные условия резання и высокую производительность обработки. Многокоординатные стандартные станки (четырех-, пяти- и более координат) имеют более широкие технологические возможности относительно номенклатуры обрабатываемых заготовок, условий резання и сокращения вспомогательного времени на переустановку заготовок. Значительно расширяют технологические возможности станков автоматические изменение скоростей вращения шпинделя и смена инструмента. Последняя осуществляется с помощью поворотной револьверной головки или магазина инструментов. Наличие круглого рабочего или встроенного стола с точной индексацией по углу поворота позволяет выполнять сложную обработку заготовок за один уставов.
В отличие от токарных фрезерные ставки не комплектуются штатным режущим инструментом, однако к отдельным моделям поставляется набор оправок для закрепления различных видов инструментов.
Фрезерные станки с ЧПУ позволяют производить фрезерование в автоматическом режиме плоских контуров различной кривизны, объемное фрезерование, сверление, зенкероваиие и растачивание. Они обеспечивают точность обработки контура (отклонение от геометрической точности окружности) в пределах ±0,1 мм, а точность получения линейных размеров ±0,08 мм.
На некоторых из них, снабженных встроенным круглым столом (горизонтально-фрезерный станок 6306ФЗ), можно обрабатывать взаимно перпендикулярные и взаимно параллельные плоскости без переустановки заготовки, а также растачивать точные соосные отверстия с двух сторон. При этом обеспечиваются: взаимная перпендикулярность двух боковых сторон (поворотом круглого стола) в пределах 0,05 мм на длине 500 мм; перпендикулярность боковой псверх-ногти к основанию, составляющая 0,05 мм на длине 500 мм; соосность отверстий, расточенных с двух противоположных сторон, равная 0,05 им на длине 500 мм; точность позиционирования узлов, составляющая 0,05 мм на длине 500 мм и 0,1 мм — на длине 1600 мм. Шероховатость обработанной поверхности в пределах R, = 10± -т-20 мкм.
Технологические возможности сверлильных и расточных станков с ЧПУ. На сверлнльиых станках с ЧПУ целесообразно обрабаты-
391
вать заготовки с большим числом отверстий со стороны, обращенной к шпинделю. Наиболее благоприятным является случай, когда обрабатывается ряд отверстий одного диаметра при условии полной обра-ботки каждого отверстия за один ход, так как при этом не требуется смена инструмента на станке в процессе выполнения операции.
Однако часто бывает необходимо обработать в заготовке несколько отверстий различных диаметров, причем некоторые из них за несколько ходов: сверление, рассверливание, зенкерование, развертывание; зенкерование, развертывание, зенкование под головки винтов и т. д. В этих условиях одношпиндельные сверлильные станки с ручной сменой инструмента малоэффективны. Целесообразнее применять сверлильные станки с автоматической сменой инструмента, из которых наибольшее распространение получили модели 2Р118Ф2 и 2Р135Ф2, оснащенные шестипозиционными револьверными головками.
Достоинством сверлильных станков с ЧПУ является возможность обработки заготовки с точно расположенными отверстиями без кондукторов при обеспечении точности межцентровых расстояний в пределах ±0,1 мм.
Расточные станки с ЧПУ создаются, как правило, на базе существующих моделей универсальных станков, поэтому по компоновке и основным технологическим возможностям они аналогичны соответствующим универсальным. В то же время станки с ЧПУ позволяют достигнуть более высокой производительности обработки за счет снижения потерь времени на установку инструмента относительно заготовки, на замеры в процессе обработки, на холостые перемещения подвижных органов. Потери времени также снижаются благодаря применению механизированных зажима и отжима режущего инструмента при установке и смене его в шпинделе.
Для ускорения поиска нужного инструмента станки оборудованы поворотными инструментальными стойками. Применение таких стоек позволяет также избежать случайных поломок и забоин точного режущего инструмента.
Одним из преимуществ расточных станков с ЧПУ является то, что на них можно с одного установа обрабатывать в корпусных заготовках как системы точных отверстий с точными межосевыми расстояниями, так и группы мелких резьбовых крепежных отверстий для присоединения деталей типа крышек, фланцев и т. п. При обычной технологии крепежные отверстия размечают по присоединяемым деталям и обрабатывают после выполнения основных операций. Такой порядок обработки приводит к большим потерям времени и часто не обеспечивает высокого качества продукции.
Наибольшее распространение в настоящее время получили горизонтально-расточные станки с ЧПУ без задней стойки с поворотным столом. Такие станки за счет высокой точности позиционирования рабочих органов обеспечивают высокопроизводительную обработку соосных отверстий консольным инструментом раздельно с двух сторон изделия с использованием его поворота на 180°. Поворотный 392
стол позволяет также обрабатывать взаимно перпендикулярные и наклонные отверстия со всех четырех сторон изделия.
Для окончательной обработки отверстий точности IT7 даже сравнительно больших диаметров (200—300 мм) на расточных станках с ЧПУ стремятся применять развертки взамен расточных оправок, развертка обеспечивает получение точного размера и высокого качества поверхности без необходимости сложной и длительной настройки инструмента на размер.
Современные системы ЧПУ для расточных станков обеспечивают широкие технологические возможности станков, позволяя программировать рабочие и холостые движения не только по прямоугольному циклу, но и под углом 45° к осям координат путем одновременного совместного перемещения по двум направлениям (обработка по восьмиугольному контуру). Системы позволяют достигнуть высоких скоростей холостых перемещений, доходящих до 5 мм/мин, а также изменять с панели управления положение инструмента, скорость подачи, осуществлять управление с ручным вводом данных. Ступенчатое или плавное торможение приводов подач при выходе рабочих органов в заданные положения позволяет отрабатывать координаты с погрешностью не более ±0,01 мм. Для удобства контроля за работой станка системы ЧПУ оборудованы индикацией основных параметров процесса (значений координат узлов станка в каждый момент времени, номера кадра, номера находящегося в работе инструмента).
На горизонтально-расточных станках крупных размеров (2А620Ф2 и 2А622Ф2) можно сверлить, зенкеровать, растачивать и развертывать точные отверстия, связанные между собой точными размерами; фрезеровать плоскости по заданной программе, а также нарезать резьбу. Точность межосевых расстояний, обеспечиваемая станками, составляет 0,05—0,07 мм. Станки позволяют производить фрезерование по восьмиугольному контуру и обработку с круговой подачей стола.
Кроме горизонтально-расточных станков отечественная промышленность выпускает координатно-расточные станки с ЧПУ, имеющие вертикальное расположение оси шпинделя. Как правило, это станки высокой точности с дискретностью позиционирования рабочих органов до 0,001 мм на импульс.
Конструкция и технологические возможности обрабатывающих центров. В 1960 г. были выпущены первые образцы обрабатывающих центров (многооперационных станков). Обрабатывающий центр представляет собой высокоавтоматизированный станок с программным управлением, дополнительно снабженный специальным инструментальным магазином для автоматической смены режущего инструмента.
С помощью программного управления на этих станках осуществляются автоматические перемещения заготовки вдоль трех координатных осей и ее вращение вокруг вертикальной оси поворотного стола. В ряде случаев обрабатывающие центры снабжаются глобусным столом, имеющим не только вертикальную, но и горизонтальную ось вращения, что дает возможность осуществлять обработку
393
сложных корпусных заготовок с разных сторон и под различными углами с одного установа. Имеются конструкции обрабатывающих центров, позволяющие устанавливать ось шпинделя в соответствии с заданной программой: горизонтально, вертикально и наклонно (под любым углом наклона, указанным в чертеже заготовки)1.
Программное управление станка обеспечивает необходимое изменение скорости вращения шпинделя, рабочей подачи и скоростей холостых перемещений, а также включение и выключение подачи смазочно-охлаждающей жидкости и других устройств станка.
На станках предусматриваются автоматическое управление переходом с ускоренного перемещения на замедленное при подходе к требуемой координате и возможность чередования быстрой и рабочей подач перемещаемых органов станка. Применяются также автоматическое управление стандартными циклами обработки и автоматическое исполнение различных функций работы станка. Единственным видом работы, выполняемым на большинстве обрабатывающих центров вручную, является установка и закрепление заготовок.
Режущий инструмент помещается на револьверных головках или специальных инструментальных магазинах большой емкости (до 138 инструментов), что дает возможность в соответствии с установленной программой автоматически устанавливать в шпинделе станка практически любой инструмент, требуемый для обработки соответствующей поверхности заготовки. Такая смена инструмента станка производится за 2—6 с. На некоторых обрабатывающих центрах вместо смены инструмента в рабочем шпинделе производится замена самих шпинделей с вставленными в них инструментами.
На обрабатывающих центрах осуществляются почти все процессы обработки резанием: сверление, зенкерование, развертывание, растачивание, нарезание резьбы, а также фрезерование плоскостей и сложных контуров.
Непрерывное программное управление всеми движениями станка (в том числе поворотного стола) и автоматическая смена большого количества режущих инструментов обеспечивают в некоторых моделях обрабатывающих центров до 500' 000 различных положений инструмента относительно обрабатываемого изделия. Это позволяетосуществ-лять обработку самых сложных корпусных заготовок с одного установа со всех сторон, по всем поверхностям заготовок, кроме базовых, по которым производятся установка и закрепление заготовок. Все это способствует достижению наивысшей точности взаимного расположения обрабатываемых поверхностей.
Несмотря на разнообразие форм, размеров и требуемой точности различных поверхностей, их обработка производится на обрабатывающих центрах, как правило, окончательно. Исключением являются лишь некоторые доводочные операции (например, хонингование отверстий в блоках цилиндров и т, п.), которые пока еще выполняются на специальных станках.
Обрабатывающие центры выпускают, как правило, с одним шпинделем или с равольверными шпиндельными головками, шпиндели которых работают поочередно. Существуют конструкции станков» 394
имеющие головки .и с двумя шпинделями, индексируемыми при смене инструментов. В этом случае замена инструмента в одном из шпинделей производится во время работы другого, что сокращает потерю времени на смену инструмента до 2—3 с. В некоторых конструкциях обрабатывающих центров имеется два различных шпинделя — один для тяжелых работ (обычно для фрезерования) и один —для легких л более точных. Однако во всех случаях обработка различных поверхностей заготовок ведется последовательно одним инструментом, сменяемым в соответствии с установленной программой.
В отличие от многошпиндельных станков-автоматов и автоматических .линий, применяемых в массовом .производстве, повышение производительности труда на обрабатывающих центрах достигается не за счет совмещения технологических переходов и параллельной многоинструментной обработки многих поверхностей, а путем резкого сокращения затрат вспомогательного и подготовительно-заключительного времени и интенсификации режимов резания. Автоматизация холостых перемещений и повышение их скорости до 1.0— 15 м/мнн, а также автоматизация смены позиций заготовки на поворотном столе и смены (режущего инструмента резко сокращают затраты вспомогательного времени и повышают долю машинного времени в общем времени обработки заготовки. Известно, что в условиях серийного и мелкосерийного производств доля машинного времени на традиционных станках ие превышает20—30 %. На станках с программным управлением она увеличивается до 50—60 %, а на обрабатывающих центрах достигает .80—G0 %. Простои станка в процессе иаладки сокращаются в среднем на 80 %.
Возможность быстрой замены затупившегося инструмента делает экономически целесообразной интенсификацию режимов резания, сокращая фактическую стойкость режущего инструмента до величины, достаточной для обработки наибольших по размерам поверхностей изделия. При обработке заготовок на обрабатывающих центрах скорости резания могут быть повышены на 20—100 %. Стабильность размеров заготовок, получаемых на обрабатывающих центрах, позволяет сократить объем контрольных операций на 50—70 %.
Продолжительность смены обрабатываемых заготовок, включая корпусные, значительно сокращается при использовании на обрабатывающих центрах сменных палет, т. е. приспособлений-спутников, на которые заблаговременно (вне станка) устанавливаются заготовки. Замена палет с.заготовками на станке часто производится автоматически, снижая до минимума его простои.
В (результате всего этого производительность изготовления деталей на обрабятывяющих центрах в 4—10 раз превосходит производительность обработки на универсальных станках и один обрабатывающий центр может фактически заменить четыре-пять и более станков традиционной конструкции.
Важнейшими преимуществами обрабатывающих центров перед другими автоматическими станками являются простота их наладки и переналадки на изготовление заготовок другой конструкции и отсутствие необходимости создания сложной и дорогостоящей тех-
305
нологическон оснастки (шаблонов, копиров, специальных приспособлений и т. п.). Это обеспечивает гибкость и мобильность процесса производства, позволяющие применять обрабатывающие центры в условиях мелкосерийного и единичного производств.
Несмотря на относительно высокую стоимость обрабатывающих центров (при правильном их использовании и полной загрузке в две или три смены), они окупаются в течение одного-двух лет. Это объ-ясняется значительной экономией затрат на технологическую оснастку: снижением брака; уменьшением требуемого количества станков с соответствующим сокращением производственных площадей, числа операций и общей длительности производственного цикла, а следовательно, и сокращением объемов незавершенного произвол-ства, складских помещений и общим повышением оборачиваемости оборотных средств.
До появления обрабатывающих центров металлорежущие станки создавались применительно к конкретному виду обработки, основанному на вполне определенном процессе резания (токарная, сверлильная, фрезерная, строгальная операции и т. п.). Этот принцип сохранялся при конструировании любых станков: универсальных, с программным управлением, многорезцовых и автоматов нли автоматических линий. Соответственно этому технологические процессы проектировали с большим количеством операций, для выполнения которых технолог выбирал наиболее подходящие станки из числа выпускаемых.
В отличие от этого обрабатывающие центры предназначаются почти для всех необходимых видов обработки различных заготовок и отличаются друг от друга не процессами резания, а лишь степенью сложности, точностью, размерами и технологическими возможностями. Наиболее сложные и технически совершенные обрабатывающие центры пригодны для изготовления заготовок любой конструкции и любой степени сложности, однако высокая стоимость делает нерентабельным’их использование при производстве простых и дешевых заготовок.
При работе на обрабатывающих центрах для сокращения машинного времени могут применяться более высокие скорости резания и подачи; частота вращения шпинделя изменяется в широких пределах — от 60 до 3200 об/мин, а в новейших моделях — до 6000 об/мин. Предусмотрено бесступенчатое регулирование подачи — от 0,1 до 3000 мм/мин. При обработке корпусных заготовок большое значение имеет сокращение вспомогательного времени. Для этого применяется автоматическое перемещение стола, салазок, шпиндельной бабки, пиноли по трем координатам со скоростью 4000—5000 мм/.мин, что соответствует перемещению заготовки в дру* гую координату за 1 с на 60—70 мм. Автоматическая смена инструмента выполняется за 2—6 с (включая время изменения частоты вращения и подачи, связанное со сменой инструмента). На станках предусматриваются автоматическое управление переходом с ускоренного перемещения на замедленное при подходе к требуемой координате и возможность чередования быстрой и рабочей подач перемещае-396
мых органов станка. Применяются также автоматическое управление стандартными циклами обработки и автоматическое исполнение различных функций работы станка. Единственным видом работы, выполняемым на большинстве обрабатывающих центров вручную, является установка и крепление заготовки.
Технологические возможности обрабатывающих центров чрезвычайно широки; они могут выполнять все виды работ, необходимых при обработке корпусных заготовок. В частности, на обрабатывающих центрах успешно выполняются всевозможные виды фрезерных работ различными конструкциями фрез: фрезерование плоскостей торцовыми фрезами; фрезерование пазов концевыми фрезами; фрезерование дисковыми фрезами; фрезерование по контуру плоских и фасонных поверхностей; фрезерование внутренних платиков, приливов и поверхностей. На этих станках возможно последовательное фрезерование всех поверхностей, расположенных с одной стороны заготовки на разных уровнях, что невозможно выполнить при одном установе заготовки на продольно- и карусельно-фрезерных станках.
На обрабатывающих центрах выполняются все виды работ, необходимые при обработке отверстий, в частности; сверление по различным циклам обработки; рассверливание, зенкерование и круговое фрезерование литых и предварительно обработанных отверстий; растачивание, последовательное растачивание в несколько ходов, растачивание набором резцов, установленных в одной расточной борштанге, растачивание резцовыми головками отверстий большого диаметра; развертывание. Технологические возможности растачивания отверстий резко возрастают с применением плансуппортной головки, радиальное перемещение резца у которой программируется по заданному циклу. В этом случае возможны растачивание без смены инструмента ступенчатых отверстий, канавок и выточек, ступенчатых отверстий с внутренней стороны стенки заготовки, конических отверстий и других форм, подрезание торцов, а также торца с противоположной стороны стенки заготовки.
На станке выполнима обработка всевозможных крепежных отверстий по разнообразным циклам обработки: сверление, цекование, нарезание резьбы, подрезание торцов бобышек, зенкерование и т. д. При этом близкое расположение отверстий не является препятствием для их обработки.
По точности исполнения некоторые обрабатывающие центры близки к координатно-расточным станкам, поэтому на них выполняется тонкое растачивание отверстий, обеспечивающее точность по IT6 и IT7 при шероховатости поверхности для чугуна в пределах Rz = 34-10 мкм.
Точность установки заготовок по осям X и Y соответствует ±0,01 мм, а точность повторной установки ±0,0025 мм.
Обрабатывающие центры с вертикальным расположением шпинделя и горизонтальным столом применяются для заготовок, обработка которых может быть осуществлена с одной стороны (корпусы типа плит и крышек с параллельно расположенными отверстиями,
397
выемками и приливами, заготовки с прямоугольными и фасонными отверстиями и пазами). На обрабатывающих центрах этого типа, оснащенных трехкоординатной контурной системой ЧПУ, могут обрабатываться криволинейные поверхности выпуклой или вогнутой формы. При наличии у обрабатывающих центров с вертикальным шпинделем поворотного глобусного стола, применяемого на коорди-натно-расточных станках, возможна обработка таких заготовок, к которым необходим подход инструмента с многих сторон. Однако при этом рабочий объем обрабатывающего центра снижается в три-четыре раза, что резко сокращает габаритные размеры обрабатываемых заготовок.
Наиболее сложные корпусные заготовки с большим количеством плоскостей, отверстий и выемок, расположенных с разных сторон и под различными углами, целесообразно изготовлять на обрабатывающих центрах с горизонтальным расположением шпинделя при использовании поворотных и глобусных столов. Наибольшее распространение получили станки, имеющие крестовый поворотный стол. Вертикальное перемещение осуществляется шпиндельной головкой.
Обработка заготовок сложной конфигурации на обрабатывающих центрах позволяет обеспечить высокую точность взаимного расположения обрабатываемых поверхностей. Точность позиционирования характеризуется величиной соответствующей погрешности для обрабатывающих центров: нормальной точности в пределах ±0,01 мм; высокой точности ± (0,005±0,01) мм; прецизионных ±0,005 мм и менее. Общая погрешность обработки по линейным размерам для обрабатывающих центров нормальной точности составляет ±0,05 мм и высокой точности ±0,01 мм. При обработке диаметральных размеров обычно выдерживается класс точности IT7, а на высокоточных станках — даже IT6 при шероховатости поверхности Rz = 54-4- 10 мкм.
Применение обрабатывающих центров оказывает заметное влияние на характер труда обслуживающего персонала. Высокая степень автоматизации этих станков сокращает потребность в труде высококвалифицированных операторов, облегчает их труд, существенно уменьшает объем тяжелых подъемно-транспортных работ. Роль рабочего-оператора ограничивается наблюдением за действием механизмов и устройств одного или нескольких станков. Происходит общее снижение доли физического труда и возрастает значение труда инженеров и техников по наладке станков и их ремонту, а также по составлению программ, кодированию, проектированию технологических процессов.
Преимущества обрабатывающих центров перед другими видами металлорежущего оборудования, включая и обычные станки с программным управлением, обеспечили быстрое их развитие и значительное увеличение выпуска. Из общего числа выпущенных до настоящего времени в мире станков с программным управлением более 25 % составляют обрабатывающие центры. Предполагается, что в будущем выпуск обрабатывающих центров достигнет половины от всего выпуска станков с ЧПУ.
398
$ 14,2
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ПОДГОТОВКА ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК НА СТАНКАХ С ЧПУ
ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ
ПОДГОТОВКИ
Технологическая подготовка обработки заготовок на станках с ЧПУ существенно отличается от технологической подготовки для станков с ручным управлением. Это в первую очередь объясняется тем» что возрастает сложность технологических задач, которые должны решаться прн создании управляющей программы с целью наиболее эффективного использования дорогого оборудования.
При технологической подготовке обработки заготовок на станках с ЧПУ производится технически обоснованный отбор номенклатуры заготовок. Прежде всего отбираются заготовки сложной конфигурации, для изготовления которых требуются дорогостоящие станки, технологическая оснастка и режущий инструмент и затрачивается значительное вспомогательное время. Особенно целесообразно отбирать те заготовки, для которых можно концентрировать несколько операций в одну, выполняемую на станке с ЧПУ. Немаловажное значение прн этом имеет возможность исключения ручных разметочных и слесарных работ. Предварительно отобранные заготовки подвергают тщательному анализу на технологичность конструкции. Такой анализ преследует цель упростить геометрические формы контура заготовки, унифицировать отдельные ее элементы, обеспечить жесткость и устойчивость при обработке. По результатам анализа корректируют чертежи заготовок, которые должны удовлетворять как требованиям обработки, так и требованиям программирования.
Для обеспечения эффективности обработки заготовок на станках с ЧПУ важны проведение типизации технологических процессов н применение группового метода обработки. Трудоемкая разработка управляющих программ часто оказывается неэффективной для отдельных разрозненных заготовок, обрабатываемых малыми партиями. Для выработки единых технологических решений целесообразно объединять заготовки по типам или группам и разрабатывать типовые или групповые технологические процессы с единой структурой управляющей программы. Большое значение для эффективности использования станков с ЧПУ в мелкосерийном производстве имеют повышение серийности изготовления заготовок и снижение затрат на технологическую оснастку и режущий инструмент. Эти задачи могут быть успешно решены с помощью группового метода обработки.
Обеспечение эффективности использования станков с ЧПУ подкрепляется организационными мероприятиями. Необходимо, чтобы станки с ЧПУ непрерывно работали в две смены. Важно правильно обеспечить многостаночное обслуживание станков, разграничить процессы настройки станка и непосредственной обработки на нем,
399
организовать централизованную заточку инструмента и его настройку вне станка. Бесперебойная работа станков с ЧПУ должна поддерживаться квалифицированной ремонтной службой.
ЭТАПЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ
Всю технологическую подготовку механической обработки заготовок на станках с ЧПУ можно разделить на этапы:
1)	классификация заготовок и определение технико-экономической целесообразности их обработки на станке с ЧПУ;
2)	разработка технической документации н создание управляющей программы;
3)	изготовление специальной технологической оснастки и режущего инструмента;
4)	проверка и корректирование управляющей программы.
Отбор номенклатуры и классификация заготовок. На первом этапе технологическая подготовка начинается с предварительного отбора номенклатуры заготовок, подлежащих обработке на станках с ЧПУ. Критерием такого отбора является технологическая возможность обработки заготовок на данном станке с ЧПУ. Краткая информация об отобранных заготовках заносится в таблицу, которая содержит наименование заготовки, номер чертежа, сведения о применяемости, количестве деталей для машины, норме времени и расценках. Эти таблица не является специальной формой технологической документации, а служит исключительно для удобства предварительного отбора предполагаемых заготовок.
По данным этой таблицы подбирают заготовки, которые в результате технологического анализа разбивают на типы. Практически к одному типу следует относить заготовки, для которых можно написать общую карту типового процесса. В пределах типа допускаются некоторые отклонения в порядке обработки, возможны исключения или добавления нехарактерных переходов.
Данные о заготовках, отнесенных к определенному типу, заносят в типовой классификатор (табл. 14.1). В таблице указывают номер чертежа заготовки, основные размеры, количество заготовок для машины, норму времени и расценки. Таблица иллюстрируется эскизом заготовки, на котором символически обозначены основные размеры. Занесение сведений о заготовках в таблицу производится в строгой последовательности возрастания одного из основных размеров, который принят за определяющий.
Однако не все заготовки, включенные в типовой классификатор, целесообразно обрабатывать на станке с ЧПУ. Необходимо путем анализа произвести отбор заготовок, для которых обработка на станках с ЧПУ была бы технически и экономически целесообразной. В первую очередь должны быть выбраны наиболее сложные и трудоемкие заготовки, имеющие участки с криволинейным контуром.
Технико-экономическую целесообразность применения станка с ЧПУ на стадии технологической подготовки устанавливают с помощью методики расчета экономической эффективности новой техники в машиностроении [11].
400
Заготовки, для которых установлена технико-экономическая целесообразность обработки на станке с ЧПУ, подвергаются дальнейшей классификации по признаку групповой обработки. С этой целью на основе анализа технологического процесса обработки каждой заготовки, разработанного с учетом применяемых на станке инструментов и оснастки, подбирают конкретный набор режущего инструмента и технологической оснастки для каждой заготовки. Сведения о выбранном инструменте и другой оснастке заносятся в специальную таблицу, составляемую для заготовок одного класса.
В качестве примера приводится таблица инструмента, применяемого для обработки заготовок класса втулки на токарном станке модели 16К20ФЗ (форма 1). Раздел таблицы, охватывающий штатный и универсальный режущий инструмент, разбивается на две части: инструмент для наружной обработки и инструмент для внутренней обработки. В последнюю графу таблицы заносят специальный режущий инструмент и технологическую оснастку, которые необходимо заново проектировать и изготовлять в инструментальном цехе. В графе «.Размеры исходной заготовки» указывают диаметр исходной заготовки, длину и количество заготовок, получаемых нз одной исходной. В графе «Установ» записывают номер установа при
401
Форма 1. Инструменты для обработки втулки на токарных станках 16К2СФЗ
									Штатный*		
		Материал и род исходной заготовки				для наружной обработкг					
№ п/п	Xs чертежа заготовки		Размеры исходной заготовки	У станов	Упорный	Проходной	Подрезной контурный	Проходной контурный	Резьбовой	с г 5 в я » 1	
1	1131165	Прокат, 20Х1М1Ф1	0 но, L = 156	I II	+ +	1 1	+ +	1 1	1 1	1 1	
2	1131841	Диск, СтЗ	0 215/120, /= 80	I II	+ +	—	+ +	—	—	—	
универсальный режущий инструмент									Специальны! режущий инструмент м техноло- гическая I оснастка
К**	для внутренней обработки								
	Сверло 1	Сверло 2	Зенкер	Развертка	Расточной черновой	Расточной чистовой	Резьбовой внутреж-кий	Расточной канавоч-ный	
	0 30, 1 = 110; 0 24, 1 = 35	—	—	—	0 20, 1= 110	0 32, /=110; 0 18, 1 = 40	0 68, 1= 130; 2М27, / = 35	0 32, 1= 130	
ж—	=	—	—	—	0 32, /= 90	0 32, 1= 90	2М175, /= 70	0 32, /= 70	—
Форма 2, Групповой классификатор заготовок, обрабатываемых на токарных
станках с ЧПУ
Шифр по типовому классификатору	Наименование детали	Наружная поверхность																
		1	2	...	10	и	12	13	14	15	16	17	18	19	20	...	25	
		Т	f		R	т	f	d	R	Т	/	d	Т					
XV1-10	Гайка накидная			—			₽-	J——	—	+	3X45-	200	3X45“	+	—	—	—	
XV-4	Муфта			—			—		—	+	4X30°	41,6		+	—	—		
XVI1-S	Седло	-	—	—	—	4-	1X45“	15	1	—	1X30“	18	1X45“	+	—	—	—	
XVI-5	Гайка колпачковая	—	—	—	—	—	+	3X30°	75	1,5	+	6X45“	105	1X45®	+	—	-	
влементарных поверхностей																	
	Внутренняя поверхность																
	0	...	е	Ж	и	К	Л	м	н	0	п	р	с	tn	У		я
	/		1	d	м	f	т	R	d	я	т	!	d	м	р		f
	ж—*	—	ле	132	(=»	—	+	15	176	I	—	15X60“	+	175X3	—	-	—
	а		1X45“	+		1X60“						—					
	е=а		0,5X45°	5	-4	—	+	1	8	—	—	—	—	—	—	—	—
	в»		0,5X60“	25	27X1,5	*-*	+	2	69	1	—	1X60-	+	68	1X60°		—
402
403
обработке заготовки по порядку. Каждому установу отводится одна горизонтальная строка, в которую заносят режущий инструмент, необходимый для обработки заготовки при данном установе. Требуемый инструмент для наружной обработки обозначают крестиком, а для внутренней — числовыми параметрами. Для сверл, зенкеров и разверток указывают диаметр режущей части и вылет инструмента, для расточных резцов — диаметр оправки и вылет, для резьбовых — параметры резьбы и вылет. Специальный режущий инструмент обозначают номером чертежа.
Для заполнения таблицы необходимо предварительно наметить принципиальный технологический процесс обработки заготовки на станке с ЧПУ. Таблица не является специальной формой технологической документации, а служит для удобства комплектования заготовок по признаку групповой обработки. По данным таблицы отбирают заготовки, для обработки которых требуются одинаковые режущий инструмент и приспособления. Такие заготовки комплектуют в группы. Для каждой группы проектируют комплексную заготовку, которая содержит в себе все геометрические элементы заготовок данной группы, и строят групповой классификатор (форма 2). В качестве примера приводится общий групповой классификатор для группы заготовок класса втулки. В групповой классификатор заносят размеры элементарных поверхностей каждой заготовки группы. Этим поверхностям присваивают буквенные символы: Т — торец; f — фаска; d — диаметр; R — радиус; М. — резьбы и т. п.
Групповой классификатор может быть общим и частным. Общий групповой классификатор строят по принципу отбора заготовок, для обработки которых требуется одинаковый по наименованию режущий инструмент, составляющий одну инструментальную наладку. Здесь допускается замена самого инструмента для отдельных заготовок группы, а блоки для крепления инструментов на станке не меняются. Заготовки, объединенные в частный групповой классификатор, обрабатываются одинаковым по наименованию и размерам режущим инструментом. В этом случае допускается только регулирование (изменение вылета) инструмента, а сам инструмент и блоки для его крепления на станке не меняются.
Технологическая отработка чертежей. На первом этапе технологической подготовки следует произвести также необходимые изменения чертежа, направленные на повышение технологичности конструкции заготовки. К основным требованиям технологичности относятся: стандартизация и унификация элементов заготовок; унификация радиусов сопряжений поверхностей и канавок для выхода инструмента; упрощение геометрических форм контура заготовки; выбор конструктивной компоновки заготовки, обеспечивающей максимальную доступность всех обрабатываемых поверхностей; создание единых конструкторских и технологических баз и простановка размеров от этих баз в соответствии с принятой системой координат для программирования обработки заготовки. Указанные, а также и другие требования должны быть направлены на сокращение количества 404
установов заготовки и типоразмеров режущего инструмента, улучшение условий базирования, повышение точности изготовления заготовки.
Для облегчения задач программирования следует упрощать геометрические образы и типизировать основные повторяющиеся геометрические элементы заготовки. Желательно, чтобы обрабатываемые поверхности заготовки представляли собой плоскости или криволинейные поверхности, профиль которых образован сопряжением прямых с дугами окружности; в корпусных заготовках следует избегать наклонных стенок. В общем случае необходимо стремиться к применению заготовок с такими поверхностями, обработку которых можно будет производить по управляющей программе для контурной системы с линейно-круговым интерполятором, не прибегая дополнительно к методам аппроксимации поверхности. Программирование упрощается, если обработка поверхностей ведется с управлением одновременно не более чем по одной или двум координатам.
Для удовлетворения требований механической обработки на станках с ЧПУ в общем случае следует считать технологичными такие заготовки, формы и размеры которых отвечают условиям выполнения обработки в непрерывном автоматическом цикле. Допускаются короткие перерывы, обусловленные ручной сменой инструмента или контрольным измерением, но не связанные с выполнением ручных приемов управления обработкой.
Если конструкция заготовки отвечает общим требованиям механической обработки и программирования, то повышение технологичности конструкции в первую очередь должно быть направлено на сокращение типоразмеров режущего инструмента, необходимого для полной обработки заготовки. При этом надо стремиться использовать изготовляемый централизованно стандартный инструмент.
При обработке на фрезерных станках с ЧПУ сопряжение стенок наружных и внутренних обрабатываемых контуров заготовки следует производить по возможности одинаковыми, типовыми для данного контура радиусами/?тип. Для обеспечения жесткости и высокой производительности инструмента необходимо, чтобы
/?Тип>(4--5-4-)Я>	<13J)
где Н — наибольшая высота стенок обрабатываемого контура.
Числовые значения /?тип (в миллиметрах) должны соответствовать нормальному ряду типоразмеров концевых фрез: 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 25, 30. Одинаковыми, типовыми для данного контура или детали радиусами следует также производить сопряжение стенки с полкой. При обработке на сверлильных и расточных станках с ЧПУ надо стремиться к одинаковым диаметрам и глубине крепежных отверстий, а также к сокращению числа растачиваемых отверстий различных диаметров, имеющих различные требования по точности и шероховатости.
При обработке на токарных станках с ЧПУ большое значение имеет ограничение форм и размеров канавок для выхода инструмента.
405
С целью облегчения подготовки управляющем программы размеры в чертеже заготовки следует проставлять в соответствии с требованиями программирования, т. е. в прямоугольной системе иоордлнат от единых конструкторских баз заготовки. Для этого необходимо выбрать начало системы координат и направление осей. Желательно,
₽«с. M.S
Л^хегтагома разменов на чертежах дехалеа, обрабатываемых ла станках с ЧЛУ
чтобы направление осей заготовки совладало после ее установки на станке с направлением осей координат станка.
В отдельных случаях приходится отказываться от принятой в чертеже схемы нанесения размеров. Так, расположение крепежных отверстий относительно основного обычно задают центральным углом дуг, ограниченных их осями, и радиусом от центра основного отверстия. При обработке отверстий на станке с ЧПУ целесообразно наносить размеры так, как показано на рис. 14.5, а, б. На рис. 14.5,6 за начало системы координат (исходную точку) выбран центр основного отверстия с целью сокращения холостых ходов при обработке.
406
Если производится Обработка криволинейных контуров плоских заготовок’ на сггнк-е с 41 ГУ. то в чертеже необходимо указывать размеры радиусов дуг, координаты центров радиусов, координаты течек сопряжения дуг (рис. 14.5, ь-).
Ь чертежах заготовок, обрабатьгьастых на токарных станках, точные линейные размеры обычно задаются непосредственно от единой базы, а не цепью- сл~п Елслне оправдано для стандоы с РУ, так как рабочему надо выдержать точно таи ко эти размеры. Дтя станка с ЧПУ это не имеет значения, так как точность отсчета перемещения одна и та же, а начато отсчета, кап правило, не совпадает с конструкторской базой и находится в те заготовки.. В связи с эт ш размеры для таких заготовок модно наносить и цеггыэ, ограничивая их дспуеками, соответствутовдимв тргбованиям конструкции (рис. 14,5 г).
В общем случае нанесение размеров на чертежах заготовок, обрабатызагмых на станках с ЧПУ, должно быть таким, чтобы при подготовке управляющей программы не везддкала необходимость их пересчета.
Большинство исходных заготовок попадает на' станки а ЧПУ с заранее подготовленными базовыми поверхностями, так как обработка1 последних на станках с ЧПУ во'многих случаях экономически нецелесообразна. При этом следует предусмотреть в технологическом процессе технические требования На обработку базовых поверхностей, если они не указаны в чертеже изделия.
Документом'для обоснования требований, предъя'вляев'ьп, к конструкции, может служит^ грумовой класъифтгкагор, в котором представлены е строгом порядке размеры и форма элементарных поверхностей заготовок.
Разработка технической доку .еитации. На вго{ом этане технологи* еской подготовки разрабатывается техниче .кая документация, необходимая для изгегозтения управляющей программы и для непосредственной обработки заготовки на станке е ЧПУ, карта наладки, операционная технологическая карта, схема движения инструмектор, операдттоннс» рлечетнотехнолегиче-.кау карча, карга программирования, чертежи специального инструмента и технологической оснастки.
Карта наладки преднозна-няа дпя наладки технологической системы па обработку заготозик на станке с ЧПУ. В зависимости от назнатетгяя карта наладки Мижет быте гру тезой зи,и индиш’дуально* Групповая карта наладки разрабатывается для заготовок. объсд..Д'е1гнггх в- частный труп ю зов к шгг люфчвпюор., а индивидуальная — ДЛЯ ОДНОЙ ЗДГ0ТС илИ.
Операци л1л;. технил©! ическая карта пр ‘дп< значена для подробного сиисандя технологического процесса обработки каждой конкретной заготовки в процессе Данной операции. В операционной технелогичес, карте указывают наименование и последовательность переходов, режтггы резания, с^послс» и веггомэгателвное время каждого перехода, jr пр поз.тоти резщозой головки, режущий инструмент и технологическую оснасгду. Запись переходов произ
407
водится обычным способом, принятым для списания технологического процесса обработки на станке с ручным управлением. Для каждого перехода назначают параметры режима резания: скорость V, м/мин; подачу s, м/мин; глубину резания t, мм; частоту вращения п, об/мин; указывают длину обрабатываемой поверхнссти L, мм.
Основное время То, мин, и вспомогательное Тъ рассчитывают по вышеприведенным данным с учетом длины и скорости рабочего и холостого ходов. Длины рабочего и холостого ходов определяют по схеме движения инструментов, на которой изображается траектория движения режущих кромок инструментов.
На основе операционной технологической карты и схемы движения режущих инструментов проектируют операционную расчетнотехнологическую карту, которая является исходным документом для составления карты программирования. Содержащуюся в карте программиоования информацию записывают с помощью специального устройства (перфоратора) на программоноситель (перфоленту) в определенном для данной системы ЧПУ коде, например ISO—7bitr Таким образом, завершается изготовление управляющей программы работой станка с ЧПУ.
На третьем этапе технологической подготовки конструкторские бюро ОГТ разрабатывают чертежи специального режущего инструмента и технологической оснастки по техническим заданиям технологов, проектирующих техническую документацию для станков с ЧПУ. При разработке чертежей на специальный режущий инструмент учитывают конструктивные особенности штатного режущего инструмента и оснастки, поставляемых со станком. Технические требования на изготовление специального режущего инструмента и оснастки (точность размеров и формы, взаимное положение поверхностей, шероховатость и т. п.) должны соответствовать требованиям, предъявляемым к штатному инструменту и оснастке. Особое внимание следует уделять обеспечению взаимозаменяемости базовых элементов инструмента и оснастки и их соответствию установочным элементам станка. От качества проектирования и изготовления режущего инструмента и технологической оснастки во многом зависит точность заготовок, обрабатываемых на станках с ЧПУ по методу автоматического получения размеров.
Проверка и корректировка технической документации является одним из важных этапов технологической подготовки. Отклонения формы и размеров, возникающие при обработке заготовок на станке с ЧПУ, часто бывают обусловлены ошибками на стадии подготовки программы н погрешностями при настройке и работе станка. Ошибки на стадии подготовки программы возникают в основном при составлении схемы движения инструментов и заполнении карты программирования. Эти ошибки могут быть частично устранены дополнительной проверкой данных, внесенных в карту. Ошибки оператора, изготовляющего перфоленту, выявляются при сравнении отпечатанного текста на бумажной ленте с записью в карте программирования. Ошибки из-за сбоев перфоратора выявляются контролем перфоленты по четности и путем ее реперфорации.
408
Таблица 14.2
Схема технологической подготовки обработки заготовок на станках с ЧПУ при ручном программировании
4ИЯ
Для выявления крупных ошибок, возникших на стадии подготовки управляющей программы и при ее изготовлении, производят отработку программы на станке без установки инструмента, оснастки и заготовки (или на координатографе}.
Сравнительно небольшие погрешности, возникающие при настройке и работе станка и вызванные неточностью положения на станке режущего инструмента, деформациями технологической системы, темперапурными деформациями и другими факторами, компенсируются введением коррекции на пульте ЧПУ. Периодической коррекцией можно также компенсировать размерный износ режущего инструмента. Компенсация погрешностей производится по результатам пробной обработки заготовки или контрольной детали. Эти проверки позволяют установить и устранить не только погрешности, обусловленные процессе»* налтройки станка и обработки заготовки, но и мелкие ошибки, возникшие на стадии подготовки и изготовления управляющей программы.
Этапы технологической, подготовки механической обработки заготовок на станках с ЧПУ должны выполняться в определенной последовательности. Разработке технической документации (второй этап) и изготовлению специальной технологической оснастки (третий этап) должна предшествовать классификация, заготовок (первый этап). Целесообразно второй и третий, этапы подготовки проводить параллельно и планировать завершение работ по этапам в одни и те же сроки.
В табл. 14.2 показана схема технологической подготовки обработки на станках с ЧПУ.
АВТОМАТИЗАЦИЯ ПОДГОТОВКИ УПРАВЛЯЮЩИХ ПРОГРАММ ДЛЯ СТАНКОВ С ЧПУ
Значительная трудоемкость ручной подготовки программ для станков с ЧПУ явилась причиной автоматизации программирования с помощью ЭВМ. В СССР и за рубежом создан ряд систем автоматического программирования для различных видов обработки на станках с ЧПУ. Система автоматического проектирования (САП) состоит из трех основных частей (групп программ}- блока ввода исходных данных, процессора, постпроцессора.
Блок ввода исходных данных (препроцессор) преобразует информацию с входного языка на машинный. Данные об обработке, специфичные для каждой заготовки, задаются технологом-программистом с помощью соответствующего входного языка. Такой язык должен быть удобен в эксплуатации и прост для изучения. По форме записи вводной информации различают языки табличные и текстовые. Исходные данные для обработки заготовки в простейшем случае содержат описание геометрических характеристик, взятых с рабочего чертежа, название станка, на котором должна обрабатываться заготовка, марку обрабатываемого материала и технологические указания.
Процессор выполняет основные вычисления по подготовке информации для управляющей программы. Он не связан с конкретным 410
станком и системой ЧПУ, Результаты, по-л?чаеуче на выходе процессора, содержат в общем воде и я определенной форме всю информацию об операции и о последовательности ее выполнения на станке. Для преобразования выходных денных процессора в форму, пригодную для управления конкретным станком, служат постпроцессор. Постпроцессор обеспечивает изготовление перфоленты и сопроводительной информации к ней для оператооа, обслуживающего станок с ЧПУ. В инструкции содержатся указания по обслуживанию инструментального магазина, измерительных и оажг^мных устройств. Кроме птго, постпроцессор может подготовить карту наладки, содержащую список необходимых лнетрумскгов, перечень корректоров инструментов и порядок их настройки Сверх этого аостЕрэпеосор может выдать информацию о штучном времени, количестве остановов стаяла и переустановив заготовки, стойкости инструмента и др.
Применение САП весьма эффективно. Использование САП на сьерлильных станках позволяет снизить стоимость программирования по сравнению с ручным на 5С—£0 %, а процесс программирования в целом ускоряется в два—пять раз. Машинное время расчета управляющей программы для заготовок средней сложности составляет 10 с. Продолжительность подготовки исзодеой информации для прсгргминр овация обработки иа фрезерных станках колеблется от 30 мин до 2 ч.
На ЭВМ тр-Хуетоя машинное время от 0.5 до 10 мин. Для освоения входного языка ЕАП технологам требуется один—пять дней. 'Трудоемкость подготовки программ для фрезерных станков с ЧПУ прн этом сокращаемся в 10—20 раз. а стоимость—в 5—15 ваз. В атом случае эфф.к гив^оегь использования САП возрастает с усложнением заготовки и технологических процессов обработки.
§ 14.3
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
МЕХАНИЧЕСКОМ ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК НА СТАНКАХ С ЧПУ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПС-СЛЕДОВАТЕЛЬНОСЛИ ОБРАБОТКИ
Установление последовательности обработки следует начинать с определения ходяче :тва установов и позиций заготовки на столе или шпинделе станка, необходимых для полной ее обработки. При этом н«аО учитывать особенность конструкции заготовки и технологические возможности станков с ЧПУ, шлющихся в наличии.
Первый установ, как правило, выбирается из условия наиболее удобного базирования заготовки на чериовье иди чистовые базы, заранее подготовленные на станках с ручным управлением. При первом установе, выполняемом от черновой базы, желательно произвести обработ ку ictx ловеохносгеи, используемых в качестве технологических баз при ж следующих устаноаах заготовки. Так, при определен“'и последовательности сбрабиткч корпусной заготовки на первом установе следует обработать плоскость и два установочных отверстия, используя фрезерный станок с ЧПУ, имеющий ре
411
вольверную головку или инструментальный магазин. План дальнейшей обработки заготовки на фрезерных или расточных станках с ЧПУ либо обрабатывающем центре можно строить, используя эти поверхности в качестве постоянных технологических баз.
Важной задачей определения последовательности операций являются обеспечение полной обработки заготовки со всех сторон с наименьшим числом установов и при минимальной технологической оснастке. В процессе разработки схемы последовательности обработки проводится эскизное проектирование приспособлений для базирования и закрепления заготовки на каждом установе
После выяснения требуемого количества и последовательности установов определяется последовательность обработки по зонам, образованным конструктивными особенностями заготовки (внутренний и наружный контуры, окна, приливы и пр.). В каждой зоне выделяются отдельные элементы (торец, внутренний контур, окна, крепежные отверстия), для которых устанавливаются вид обработки (черновой, чистовой) и требуемые типоразмеры режущих инструментов.
Отдельные элементы, обрабатываемые одним инструментом, группируются как внутри данной зоны, так и по всем зонам. Такое группирование позволяет выявить количество типоразмеров режущих инструментов для обработки всей заготовки и выяснить возможность обработки всех доступных зон при данном установе набором инструментов, размещаемых в магазине или револьверной головке станка с ЧПУ, который оборудован устройствами автоматической смены инструмента. В том случае, когда режущий инструмент, необходимый для обработки всех элементов заготовки при данном установе, не размещается в магазине или револьверной головке ётанка, необходимо либо разделить операцию на части, выполняемые на одинаковых установах, либо менять инструмент вручную с запрограммированным остановом станка.
Последовательность обработки по зонам определяется конструкцией заготовки и исходной заготовки. При определении последовательности обработки по зонам следует, где это возможно, придерживаться принципа, обеспечивающего максимальную жесткость заготовки на каждом участке обработки. Так, обработку корпусной заготовки с ребрами целесообразно начинать с фрезерования торцов ребер до обработки контура заготовки, так как ребра при этом будут более жесткими. Обработку внутреннего контура заготовки следует производить от центра к периферии.
При точении заготовки, когда последовательность обработки ее частей (зон) ничем не обусловлена, ее следует начинать е более жесткой части (большего диаметра) и заканчивать зоной малой жесткости.
Последовательность видов обработки внутри каждой зоны может быть выбрана по опыту обработки заготовок на станках с РУ. Определение последовательности обработки элементов заготовки, находящихся в данной зоне, производится на стадии проектирования операционного технологического процесса.
412
Технологическая операция механической обработки заготовки на станке с ЧПУ в отличие от общего определения понятия технологической операции (см. гл. 1) ограничена дополнительным условием ее выполнения при одной наладке станка. Она может быть определена следующим образом.
Технологическая операция механической обработки на станке с ЧПУ — это часть технологического процесса, выполняемая непрерывно на одном рабочем месте, при одной наладке станка, над одним или несколькими одновременно обрабатываемыми изделиями, одним или несколькими рабочими.
Условия сохранения неизменной наладки станка предполагают возможность использования для выполнения операции одной и той же технологической оснастки (приспособления и инструментов) и технической документации (карта наладки и перфолента). Так, при непрерывной обработке фланца на токарном станке с ЧПУ с пере-установом его в трехкулачковом патроне одна операция будет только в том случае, когда не требуется дополнительной наладки станку и имеется единая управляющая программа обработки, в которой предусмотрены запрограммированный останов для переустановкй заготовки и автоматическая настройка «плавающего нуля» (началб программы).
В противном случае операция разбивается на две: 1) обтачивание фланца и растачивание отверстия; 2) обтачивание ступицы. В первом случае имеют место одна операция и два уетанова, а во втором — две операции по одному установу в каждой операции. Так же как и при обработке на станках с РУ, все движения, связанные с выполнением технологической операции на станке с ЧПУ, делят на основные и вспомогательные. К вспомогательным относятся движения, непосредственно не связанные с обработкой и образованием новых поверхностей. Вспомогательные движения делятся на три вида: врезание, выход инструмента из зоны обработки, холостой ход. В отличие от станков с РУ время вспомогательного движения является составляющей частью основного (машинного) времени станка с ЧПУ.
Кроме того, операции механической обработки заготовки на станке с ЧПУ включают в себя ряд вспомогательных переходов (установка, закрепление и снятие заготовки, смена инструментов, измерение, изменение позиций, пуск станка), которые могут производиться как вручную (оператором), так и автоматически по программе в зависимости от модели и степени автоматизации станка.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКИ
Проектирование технологической операции обработки заготовки на токарном станке с ЧПУ включает в себя комплекс задач, которые приходится решать при использовании токарных станков с РУ, а также дополнительных задач, обусловленных особенностями работы станков с ЧПУ. К числу традиционных задач относятся: вы-
413
бор схемы базирования и конструкции зажимного приспособления, установление последовательности обработки поверхностей, определение числа переходов, выбор модели станка и типоразмеров режущих инструментов, расчет припусков на обработку, режимов резания и норм времени. К числу новых задач, специфических для применения станков с ЧПУ, относится создание управляющей программы работы станка с ЧПУ; для этого необходимо построить траектории движения режущих инструментов и рассчитать координаты опорных точек траектории. Всю полученную информацию следует занести в операционную расчетно-технологическую карту и затем определенным образом записать в карту программирования геометрические и технологические параметры, а также необходимые команды по управлению рабочим циклом станка. На заключительном этапе полученные данные в установленном коде записываются на программоноситель с помощью специальных устройств. Изготовленную таким образом управляющую программу перед использованием в производственных условиях проверяют и цри необходимости корректируют.
Схема базирования заготовки на станке с ЧПУ должна обеспечивать достаточные устойчивость и жесткость установки заготовки, а также требуемую точность ориентации заготовки в приспособлении. Эго достигается выбором соответствующих размеров и качеством базовых поверхностей, а также их взаимным расположением. Технологические базы помимо их основного назначения должны удовлетворять требованию смещения направления координатных осей заготовки с осями координатной системы станка. Удовлетворение этого требования упрощает программирование и облегчает взаимную увязку «нуля» заготовки с «нулем» станка.
При обработке заготовки на токарных станках с ЧПУ наибольшее распространение получили две следующие традиционные схемы установки: в центрах (для заготовок типа валов) и в патроне (для заготовок типа дисков и втулок). Эти схемы по подготовке базовых поверхностей отвечают требованиям, предъявляемым к установке заготовок на станках с ЧПУ.
Принятая схема базирования определяет конструктивную схему приспособл&яия, которое для станков с ЧПУ предназначено для тех же целей, что и приспособление для станков с РУ, т. е. для установки заготовки на станке. Однако с целью получения высокой точности обработки в автоматическом цикле точность приспособлений для станков с ЧПУ должна быть повышена. Более высокие требования предъявляются и к жесткости приспособлений, используемых на этих станках. Для обеспечения жесткости закрепления заготовки в кулачковом патроне станкз с ЧПУ должна быть предусмотрена достаточная длина зажимаемой поверхности заготовки, причем наименьшая длина зажима регламентируется соответствующими нормативами.
На основе этих требований для токарных станков с ЧПУ разработана и выпускается промышленностью гамма быстропереналажи-ваемых клиновых патронов типа ПБК с диаметрами 200, 250, 315 414
и 400 мм. В качестве механизированных приводов патронов станков с ЧПУ токарной группы используются пневматические, гидравлические и электромеханические приводы. Для заготовок, устанавливаемых в центрах, иа токарных станках с ЧПУ применяются двух-и трехкулачковые поводковые патроны с плавающим центром и эксцентриковыми сменными кулачками автоматического действия.
Поверхности, окончательная обработка которых может производиться проходным или расточным контурным резцом, отнесены к основным. Поверхности, для формообразования которых необходим режущий инструмент, отличающийся от контурного резца, отнесены к дополнительным. К основным формам поверхностей относятся: торцовые, цилиндрические и конические поверхности, а также поверхности с криволинейной образующей и неглубокие канавки и выточки (до 1 мм), которые можно выполнить резцами со вспомогательным углом в плане cpj = 27ч-30°.
Несмотря на разнообразие форм обрабатываемых поверхностей, может быть установлена следующая общая схема обработки заготовок на токарном станке с ЧПУ: 1) центрование (если сверло меньше 20 мм); 2) сверление; 3) подрезание торца; 4) черновая обработка основных форм поверхностей; 5) черновая обработка дополнительных форм поверхностей; 6) чистовая обработка этих же дополнительных форм поверхностей (так как она может выполняться, как правило, тем же инструментом, что и черновая обработка); 7) чистовая обработка дополнительных форм поверхностей, не требующих черновой обработки; 8) чистовая обработка основных форм поверхностей.
При обработке заготовки, установленной в центрах, первые три перехода следует исключить. В случае обработки заготовки, установленной в патроне, необходимо соблюдать следующий порядок при работе со сверлом: а) перед сверлением сверлом диаметром меньше 20 мм ввиду малой жесткости сверла и возможности его увода отверстие центруется центровкой или сверлом большего диаметра с углом заточки 60 или 90°; б) сначала производится сверление сверлом большего, а затем меньшего диаметра; в) ведется обработка сверлом диаметром больше 20 мм.
Общая типовая схема последовательности токарной обработки заготовки предусматривает и частные случаи, которые зависят не только от наличия тех или иных форм поверхностей, но и от количества режущих инструментов, которые можно разместить в револьверной головке или магазине станка с ЧПУ.
Для проектирования схемы движения режущих инструментов необходимо построить траекторию рабочих и вспомогательных перемещений инструментов при обработке основных и дополнительных поверхностей. Наибольшую сложность представляет построение рациональной траектории для обработки за несколько ходов, когда наибольшая допустимая глубина резания ?пр меньше припуска на черновую обработку. В этом случае черновую область заготовки разделяют горизонтальными прямыми на уровни (рис. 14.6). Разделение на уровни производится с учетом /пр. Для этого вычисляют припуск для каждой поверхности (зоны) и определяют число ходов
415
инструмента в зоне путем деления припуска на Гпр с последующим округлением до большего целого числа. Определяют глубины чер-
Д_________________
Л»	Хг X, X
Рис. 14.в Разделение черновой области заготовки на уровни
У2, Уа с вертикальными границами зон Xx, Х2, Х3 вся черновая область заготовки разделяется на элементарные участки. В процессе анализа последовательности обработки этих участков производится построение траектории рабочих и вспомогательных перемещений при черновой обработке.
На рис. 14.7 приведены три варианта траекторий движения режущего инструмента при черновой обработке ступенчатого валика. При варианте, изображенном на рис. 14.7, а, траектория строится последовательно сверху вниз. В пределах уровня выбирается весь массив металла. Траектория вершины резца достоит из отрезков прямых, Соединяющих точки 0—4—5— 3 — 6—7—8—9—10—2—11— 12—13—1—14—0.
В варианте, приведенном на рис. 14.7, б, траектория Строится таким образом, что В начале цикла производится обработка участков, не вклю-
чающих контур заготовки, а в
£онце — обработка контура заготовки. Траектория вершины резца проходит через точки 0—4—5—3—7—8—10—2—11—1—12—2— 13—3—14—0.
новых ходов инструмента в каждой зоне из условия, что припуск в них разделен равномерно. Затем выбирают наибольшую глубину резания, которую принимают общей для всех ходов, так как она удовлетворяет условию уменьшения глубины резания без увеличения числа ходов. Определяют ординаты уровней ходов. Черновая обработка заготовки ведется только вдоль уровней.
В результате пересечения горизонтальных уровней Уь
Рис. 14.7
Варианты траекторий движения режущего инструмента при черновой обработке ступенчатого вала
416
В варианте, представленном на рис. 14.7, в, траектория строится по зонам. Внутри каждой зоны последовательно выбирается весь массив металла. Траектория проходит через точки 0—4—5—6—7— 8—9—2—11—1—12—5—14—3—6—2—13—3—16—0.
Выбор рационального варианта построения траектории вершины резца для данного случая зависит от протяженности зон, длины рабочего и холостого хода, количества уровней, расстояния между уровнями и структуры чернового контура заготовки. Путем ана-
лиза установлено, что для однородной структуры чернового контура, когда выполняется условие уп > уп. х > уп_2 > у2 > уъ построение траектории по варианту б наиболее рационально.
Выбор режимов резания является комплексной технико-экономической задачей, решение которой заключается в определении комбинации режимов резания, обеспечивающих минимум затрат на обработку при заданных технических ограничениях. Рациональные режимы резания для токарной обработки выбирают в зависимости от вида обработки и формы обрабатываемой поверхности с учетом технических ограничений.
При черновой обработке основных форм поверхностей (обтачивание наружных и торцовых поверхностей, растачивание внутренних поверхностей) режимы резания следует назначать исходя из задачи полного использования возможностей инструмента и станка, так как от черновых ходов в основном зависит производительность выполнения операции. При многопроходной обработке глубину резания определяют по методике, которая изложена выше для проектирования схемы движения режущих инструментов.
Подачу назначают максимально допустимой техническими ограничениями. Такими ограничениями для подачи при черновой обработке являются: жесткость установленной определенным образом заготовки, обрабатываемой на станке; жесткость резца; прочность державки резца; прочность режущих пластин резца; прочность механизма подачи станка; наибольший крутящий момент; мощность главного привода; предельные минутные подачи на станке. Зависимости для определения подач, допускаемых перечисленными техническими ограничениями, приведены в работах по станкам с ЧПУ.
При обработке стали подача, выбранная в соответствии с техническими ограничениями, корректируется для учета влияния характеристики обрабатываемого материала на удовлетворительное формирование стружки. Поправочный коэффициент К. для инструмента с неперетачиваемыми пластинками твердого сплава выбирают по данным ЭНИМС. Подачу на первый черновой ход инструмента при наличии биения заготовок по торцу, наружному диаметру или отверстию на участке входа резца целесообразно снижать на 20—30 %, чтобы предотвратить сколы режущих кромок.
Скорость резания рассчитывают по формулам теории резания с учетом экономической стойкости режущего инструмента. Рекомендуемые периоды стойкости резцов на черновых операциях, выполняемых на станках с ЧПУ, составляют 35—45 мин — для сборных резцов с неперетачиваемыми пластинками твердого сплава, 30 мин —
14 Маталин А. А.	417
для резцов из быстрорежущей стали, 20—35 мин — для расточных и проходных резцов с напаянными пластинками твердого сплава. Допускаемый износ U3 для неперетачиваемых пластин — 1,8 мм, для резцов с напаянными пластинками из твердого сплава — 1 — 1,4 мм, для резцов из быстрорежущей стали — 1,5—2,0 мм. При черновой обработке торцов следует изменять частоту вращения шпинделя, если скорость резания отклоняется от выбранных значений больше чем на 20 %.
Режимы резания для чистовой обработки основных форм поверхностей назначают с учетом требований к шероховатости и точности соответствующих поверхностей. При этом подачу, обеспечивающую требуемое уточнение заготовки, определяют при однопроходном точении заготовок по известной формуле
\ ьр /	\ аисх. ваг /
где Дзаг — допустимая погрешность заготовки после обработки; ^исх. заг — погрешность исходной заготовки; /—жесткость технологической системы.
Расчет подачи s, обеспечивающей требуемую шероховатость, производят по соответствующим формулам и таблицам. Установленные подачи не должны быть меньше наименьшей минутной подачи на станке smln и наименьшей подачи spe3. тщ, обеспечивающей нормальное резание.
Рекомендуемые периоды стойкости для различных типов чистовых резцов совпадают с аналогичными типами черновых резцов. Допускаемый износ для неперетачиваемых пластин и резцов с напаянными пластинками твердого сплава — 0,4—0,6 мм, для резцов из быстрорежущей стали — 0,5 мм.
Запись технологической и геометрической информации, необходимой для разработки управляющей программы, а также данных, используемых для настройки станка с ЧПУ, производится в специальных формах технической документации. Основной формой технологической документации (ГОСТ 3.1418—82) считается операционная расчетно-технологическая карта (РТК), предназначенная для ручного способа подготовки программ механической обработки изделий на станках с ЧПУ. Данным ГОСТом допускается использование операционной карты механической обработки по ГОСТ 3.1404—74. В РТК для товарной операции указываются: номер цеха, в котором выполняется операция; номер участка; номер операции по маршрутной карте; наименование операции; модель станка; тип системы ЧПУ; номер программы; номер базовой или опорной точки; направление перемещения; координаты базовой или опорной точки либо приращения и импульсы; подача; частота вращения; направление вращения шпинделя; номер корректора с указанием оси перемещения; технологические команды.
Кроме рассмотренных форм, официально установленных ГОСТом, для наладки станка с ЧПУ в производственных условиях исполь-418
зуют карту наладки произвольной формы, а при составлении РТК для обработки заготовок повышенной сложности, как правило,
вычерчивают схему движею я режущего инструмента.
В качестве примера на рис. 14.8 приведена схема движения канавочного(рис.14.8, а) и упорного (рис. 14,8, б) резцсв при черновой обработке траверсы за два установа в соответствии с операционным эскизом, приведенным на рис. 14.9. Учитывая, что черновой контур данной заготовки имеет однородную структуру, при построении схемы принимается второй вариант траектории движения резца при черновой обработке ступенчатого вала (см. рис. 14.7).
Принимая из условий внбро-устойчивости глубину резания t = 3 мм, определяют подачу s и скорость v по методике, указанной выше.
Схему движения инструментов вычерчивают в масштабе 10 : 1 или 5 : 1 на милли-
метровой бумаге. Сплошными линиями указывают рабочие движения, а штриховыми — холостые. Последовательно расположенные
Рис. 14.9
Операционный эскиз черновой обработки траверсы
ления движения инструмента, называют геометрическими опорными точками, а точки, в которых изменяется режим резания,— технологическими. При построении схемы движений инструмента
Рис. 14.8
Схемы движения инструментов при обработке канавочиым (а) и упорным (б) резцами
опорные точки, в которых происходит изменение направления движения инструмента или режимов резания (либо и то и другое), обозначают арабскими цифрами с числовым индексом. Цифра соответствует номеру опорной точки, а индекс — номеру инструмента в резцовой головке. Направление движения указывается стрелкой. Опорные точки, в которых происходит изменение направ-
14*
419
желательно совмещение геометрических и технологических опорных точек.
Схема движения инструментов предназначена для учета всех без исключения перемещений инструментов как по величине, так и по направлению. Если в обработке заготовки участвуют от одного до трех инструментов при небольшом количестве опорных точек, то вычерчивают общую схему для всех инструментов. При большем числе инструментов и значительном количестве опорных точек следует вычерчивать схему движения для каждого инструмента отдельно. С целью избежания ошибок рекомендуется схему движения режущих инструментов составлять одновременно с расчетно-технологической картой.
В карте наладки содержатся все сведения, необходимые при наладке станка на конкретную операцию. По карте производятся установка заготовки на станке и режущих инструментов в резцовой головке или магазине, закрепление блоков коррекций положения инструментов, устанавливается порядок смены инструментов вручную (при необходимости) и изменения заготовки.
Карта наладки состоит из графической части и таблицы. В графической части изображают эскизы заготовки после обработки на каждом установе, схему базирования и закрепления заготовки на станке и схему размещения инструментов в резцовой головке. На эскизах указывают размеры и шероховатость обрабатываемых поверхностей. На схеме установки также указывают взаимное расположение нулевых точек станка и заготовки и основные размеры заготовки. На схеме размещения инструментов отмечают координаты положения вершин инструментов по осям Z и X и порядок расположения инструментов в резцовой головке.
В табличной части приводят данные по исходной заготовке, режущему инструменту, технологической оснастке; указывают материал, род и основные размеры исходной заготовки; шифр и материал режущей части инструмента; номер корректора, закрепленного за инструментом; наименование и шифр технологической оснастки. Для каждого установа заготовки приводят численные значения координат вершин инструментов по осям Z и X и наладочные размеры. Данные о применяемом режущем инструменте записывают в строгой последовательности вступления инструмента в работу. Кроме указанных сведений в карту наладки включают наименование и номер чертежа детали, модель и номер станка, номер программы. Карты наладки для различных токарных станков с ЧПУ могут отличаться как по форме, так и по содержанию. Вид карты зависит от конструктивных особенностей и технологических возможностей станка с ЧПУ. Однако основные положения относительно оформления карты наладки, рассмотренные выше, являются общими и приемлемыми для различных типов станков.
Необходимые данные для механической обработки заготовки на станке с ЧПУ с разработанной технологической документацией переносятся технологом-программистом в зашифрованном виде в карту программирования. По карте программирования оператор изготов-420
ляет управляющую программу работой станка, которая проверяется в производственных условиях и при необходимости корректируется.
Проверку программы производят последовательно в несколько этапов. Вначале программа отрабатывается на станке без установки инструмента, оснастки и заготовки. Затем производится пробная обработка заготовки с применением оснастки и инструмента. На заключительном этапе окончательно обрабатывается контрольная заготовка.
В процессе контрольной обработки могут быть обнаружены недопустимые отклонения размеров, формы и шероховатости поверхностей заготовки, обусловленные как ошибками, возникающими на различных этапах подготовки программы, так и погрешностями механической обработки и управления станком, численные значения которых невозможно определить на этапе разработки программы. Если отклонения небольшие, то программа не перерабатывается, а возникшие неточности разработки программы или погрешности управления и механической обработки компенсируются путем введения соответствующих коррекций от пульта ЧПУ.
При больших отклонениях необходимо тщательно проверить все расчеты и принятые технологические решения, чтобы убедиться, что ошибки при разработке программы исключены; затем посредством анализа или эксперимента определить причины возникающих погрешностей и устранить их технологическими или техническими средствами. К числу технологических средств могут быть отнесены: изменение режимов резания, геометрии инструмента и материала режущего лезвия, улучшение отвода тепла из зоны резания, изменение последовательности обработки отдельных поверхностей и т. п. В качестве технических могут быть использованы средства по устранению дефектов и повышению надежности отдельных элементов и узлов станка и системы ЧПУ, а также средства по увеличению жесткости составляющих технологической системы.
На основании операционной карты механической обработки и схемы движения режущих инструментов составляют операционную расчетно-технологическую карту с операционным эскизом. Вся полученная технологическая документация с привлечением паспортных данных станка используется для проектирования карты настройки.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ НА ФРЕЗЕРНЫХ СТАНКАХ С ЧПУ
Общая последовательность проектирования операционного технологического процесса обработки на фрезерных станках с ЧПУ и на токарных станках с ЧПУ в основном аналогична, однако из-за особенностей обработки содержание отдельных этапов существенно изменяется. К таким особенностям относятся: конфигурация обрабатываемых заготовок; использование многолезвийного инструмента, в том числе фрез, которые, как правило, не поставляются со станком;
421
изменение характера обработки и рабочих органов станка; программирование перемещения центра фрезы; управление по трем координатам при обработке пространственного контура заготовки.
На фрезерных станках с ЧПУ целесообразно обрабатывать заготовки относительно сложной конфигурации, отдельные поверхности которых ограничены плоским или пространственным криволинейным контуром. Базирование таких заготовок производится по трем взаимно перпендикулярным плоскостям или по плоскости и двум точным отверстиям. Схема базирования заготовки в значительной степени определяет конструкцию установочных элементов приспособления. Приспособление, применяемое на фрезерном станке с ЧПУ, должно быть ориентировано вместе с закрепленной на нем заготовкой на столе станка вполне определенным образом, т. е. с учетом особенностей контура обрабатываемой заготовки и увязки положения заготовки с исходной точкой обработки и с осями координат станка. Существует несколько способов ориентации приспособления на столе станка.
В серийном производстве получил распространение способ ориентации с помощью координатной плиты, имеющей базовые отверстия и жестко закрепленной на столе станка. Приспособление, используемое при такой ориентации, снабжено фиксирующими штырями. Преимуществами данного способа являются возможность быстрой смены приспособления на столе станка и упорядоченность размещения заготовок, позволяющая обеспечить равномерность износа ходовых винтов подач и направляющих.
Второй способ предполагает ориентацию приспособления на столе станка с фиксацией по центральному отверстию стола и продольному пазу. Приспособление снабжено центрирующим штырем и шпонкой. Установка инструмента в исходную точку производится с помощью специального установа, закрепленного в корпусе приспособления.
При использовании третьего способа ориентация приспособления на столе станка осуществляется по центральному продольному пазу стола с помощью двух шпонок; при этом необходимо наличие дополнительного упора на столе станка, фиксирующего положение приспособления в продольном направлении. Установка инструмента в исходную точку производится, как и при предыдущем способе. Последние два способа получили широкое распространение в мелкосерийном производстве.
Существенным требованием, способствующим повышению эффективности работы на станках, является обеспечение максимальной жесткости технологической системы. Это достигается уменьшением высоты точки, к которой приложено усилие резания, над плоскостью стола путем применения элементов приспособления (подводимых опор, дополнительных прижимов), увеличивающих жесткость обрабатываемых заготовок, а также обеспечением минимальной высоты элементов приспособления, выступающих над заготовкой, с целью уменьшения длины и увеличения жесткости концевой фрезы.
422
Для закрепления заготовок с небольшим циклом обработки особенно целесообразно в приспособлениях применять быстродействующие зажимы с механизированными пневматическими и гидравлическими приводами. В этих случаях сокращение вспомогательного времени позволяет повысить эффективность применения станков с ЧПУ. Обеспечение стабильности усилий зажима заготовок при этом приводит к повышению стабильности выполняемых размеров.
Наиболее распространенным режущим инструментом, применяемым для обработки на фрезерных станках с ЧПУ заготовок широкой номенклатуры, являются концевые фрезы. Выбор режущего ин-
Рис. 14.10
Концевые фрезы для станков с ЧПУ
струмента для конкретной операции зависит от конфигурации обрабатываемых поверхностей и условий обработки. Так, для усиления выхода стружки при обработке глубоких глухих колодцев необходимо увеличивать угол наклона спирали ш. При обработке тонких плоских заготовок следует применять праворежущие фрезы с левой спиралью и леворежущие с правой спиралью, так как осевая составляющая силы резания прижимает заготовку к столу станка, улучшая условия обработки. Для уменьшения вибрации при обработке зубья фрезы располагают несимметрично (рис. 14.10, а). Жесткость режущей части фрезы можно повысить, увеличив сечение сердечника (т. е. уменьшив глубину канавки) либо применив конический сердечник (создав канавку переменной глубины), как показано на рис. 14.10, б. Для сохранения жесткости фрезы при значительном вылете и небольшой длине режущей части предусматривается усилительный конус (рис. 14.10, в). При обработке наклонных стенок применяют различного вида конические концевые фрезы (рис. 14.10, г), параметры которых определяются конструкцией заготовки. Концевые радиусные фрезы (рис. 14.10, д) исполь-
423
зуют при обработке пространственных поверхностей методом строчечного фрезерования.
Выбор режущего инструмента для выполнения операции на фрезерном станке с ЧПУ производится поэтапно. Вначале выявляют виды инструментов, необходимых для обработки заготовки на данной операции. Затем определяют технологические параметры каждого вида инструмента: материал режущей части, углы заточки режущих кромок, количество зубьев и пр. На заключительном этапе выбирают конструктивные параметры режущего инструмента: диаметр фрезы D, длину режущей части I, вылет фрезы L, радиус заточки торца фрезы г, наклон спирали а>, направление спирали (правая, левая), расположение зубьев (равномерное, неравномерное), сечение сердечника (цилиндрическое, коническое) и пр.
Материал, геометрию режущей части и число зубьев фрезы выбирают по нормативам, которые применяют для определения параметров режущего инструмента, используемого на универсальных фрезерных станках с РУ. Диаметр фрезы D при обработке криволинейного профиля, очерченного дугами окружности, выбирают с учетом возможности обработки вогнутого участка профиля наименьшего радиуса #mln и определяют по формуле D « 2 (0,8-т-0,9) 7?^. Угол наклона спирали ю определяют из условия равномерного фрезерования, обеспечивающего постоянную площадь среза
где С — любое целое число — 1, 2, 3 и т. д.; В — высота профиля или ширина фрезерования.
Длину режущей части фрезы I выбирают на 5—10 мм больше высоты профиля В, а вылет фрезы L выбирают из условия доступности зоны обработки и конструктивных особенностей фрезы. Наружный диаметр концевой фрезы, используемой на станках с ЧПУ, должен быть выполнен с повышенной точностью.
Число и последовательность технологических переходов при фрезеровании на станках с ЧПУ зависят от количества и конфигурации зон, обрабатываемых на данной операции, от требований к точности расположения поверхностей как внутри зоны, так и между зонами, а также требований к шероховатости поверхностей, образующих зоны обработки. Рекомендации по выбору последовательности обработки по зонам были приведены выше.
Определение рациональной траектории рабочих перемещений инструмента при фрезеровании конкретной зоны является наиболее трудной проблемой при разработке операционного технологического процесса на станках с ЧПУ. Характер траектории зависит от вида зоны, метода фрезерования и типа инструмента. Зоны по доступности обработки делят на закрытые (типа «глухих колодцев»); полуоткрытые, обработка которых производится торцом и цилиндром концевой фрезы, и открытые, которые могут быть обработаны только цилиндрической частью концевой фрезы. По форме ограничивающих поверхностей зоны могут быть плоскими (если ограничивающие по-424
верхности — плоскости), контурными (если ограничивающая поверхность — плоский криволинейный контур) и пространственными (если ограничивающая поверхность — пространственный криволинейный контур). Методика определения рациональной траектории рабочих перемещений инструмента при фрезеровании изложена в технической литературе.
На основании расчетов координат опорных точек и режимов резания, а также принятых технических решений составляют операционную расчетно-технологическую карту (РТК). Она содержит законченный проект обра-ботки заготовки на станке	~~	;_
с ЧПУ в виде графического изображения траектории относительного движения центра фрезы с необходимыми пояснениями и таблицы, в которую занесены координаты опорных.точек, режимы обработки и отдельные технологические команды.
Заготовку в РТК вычерчивают в прямоугольной системе координат и ориентируют относительно осей ОХ и OY, являющихся одновременно и осями координат станка. Контуры заготовки, подлежащие обработке, вычерчивают в масштабе с ука-
занием всех размеров, не- гнс. н.п
v тт гт	о	Траектория движения концевой фрезы при обра-
ООХОДИМЫХ ДЛЯ ПрОГрЗММИ- ботке контура фланца иа вертикально-фрезерном рования. Табличная часть станкс с чпу српрфз РТК для фрезерной опера-
ции на станке с ЧПУ, оформляемая согласно ГОСТ 3.1418—82 по форме 1, отличается от РТК на токарную операцию дополнительной графой для координаты Z. Расчетно-технологическая карта яв-
ляется исходным документом для составления карты программирования, по которой, в свою очередь, составляют управляющую программу работой станка. Разработанная управляющая программа перед внедрением ее в производство проходит серию проверок, содержание которых, а также методика их проведения для токарных и фрезерных станков с ЧПУ по существу аналогичны.
На рис. 14.11 изображена траектория движения концевой фрезы 0 30 мм при обработке контура фланца (фрезерование шести выемок с R = 15 мм и шести прямоугольных выемок с R = 15 мм в углах) на вертикально-фрезерном станке с ЧПУ 6Р13РФЗ с револьверной головкой. При той же операции с помощью 2-го шпинделя головки выполняется центрирование шести отверстий 0 13 мм и шести отверстий под резьбу; с помощью 3-го — сверление шести отверстий
425
0 13 мм; с помощью 4-го — зенкерование шести отверстий 0 19X X 12 мм; с помощью 5-го — сверление шести отверстий 0 5 мм под резьбу Мб на глубину 20 мм и с помощью шестого шпинделя производится снятие фасок 1X45° у отверстий 0 5 мм.
До внедрения в производство станка с ЧПУ перечисленная работа выполнялась за три операции (1-я — разметка наружного контура; 2-я — фрезерование шести выемок с R = 15 мм и шести угловых выемок с R = 15 мм; 3-я — сверление и зенкерование шести отверстий 0 13 мм и 0 19 мм по контуру), причем сверление шести отверстий и нарезание в них резьбы Мб производились на сборке. Общая трудоемкость обработки по этим операциям более чем в три раза превышала трудоемкость обработки на фрезерном станке с ЧПУ.
Затраты времени на неавтоматизированную разработку технологического процесса обработки заготовок, содержащих плоский криволинейный контур, на фрезерных станках с ЧПУ сравнительно невелики. Однако выбор рациональной траектории режущего инструмента при обработке пространственной зоны является сложной математической задачей. Определение числа и координат геометрических опорных точек практически осуществимо только с помощью ЭВМ. Методы расчета рациональных режимов резания при пространственном фрезеровании недостаточно разработаны. Разработка управляющих программ для фрезерования заготовок, содержащих закрытые, полуоткрытые и открытые пространственные зоны, производится на ЭВМ с помощью систем автоматической подготовки программ.
$
ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ
ЗАГОТОВОК НА ОБРАБАТЫВАЮЩИХ ЦЕНТРАХ
Выбор конструкции и типоразмера обрабатывающего центра. Многообразие конструкций и высокая стоимость обрабатывающих центров требуют от технолога особого внимания к выбору конструкции обрабатывающего центра, так как от его правильности зависят не только точность' и производительность обработки, но и ее экономическая эффективность. Естественно, что основными критериями для выбора оборудования являются габаритные размеры обрабатываемых заготовок, требуемая точность обработки и ее сложность.
Обследование свыше 2000 корпусных заготовок в различных отраслях промышленности показало, что допустимая неплоскостност ь распределяется • по числовому значению следующим образом: до 0,01 мм — 4 % от общего количества; 0,02—0,03 мм — 12 %; 0,04— 0,06 мм — 50 %; 0,06—0,1 мм — 34 %.
Допустимые погрешности взаимного расположения плоскостей корпусных заготовок распределяются между значениями, приведенными выше в соответствии с данными табл. 14,3.
426
Важное значение для точности корпусных заготовок имеет точность размеров и расположения отверстий, характеризующаяся следующими допустимыми значениями:
Квалитет точности отверстий .... Количество отвер-	6	7	8-10	11
стий, %	.... Допуск на межосе-	6	35	45	14
вое расстояние по чертежу заготовки, мм	 Количество заго-	0,01	0,02—0,09	0,1 и более
товок, % . . . . Допуск на рас-	12	30	58
стояние от оси от-			
верстия до базовой плоскости, мм	До 0,02	0,02—0,05	0,05-0,1 Св. 0,1
Количество заготовок, % ....	6	14	31	49
Все приведенные требования к точности обработки корпусных заготовок могут быть обеспечены при использовании различных обрабатывающих центров.
С точки зрения изготовления заготовок на обрабатывающих центрах перво-
Таблица 14.3
Распределение количества заготовок по значению допустимой погрешности расположения их плоскостей
Вид погрешности	Количество заготовок при допустимой погрешности расположения, %					
	До 0,01		о о 1 СЧ о о	0,05—0.1	Св. 0,1	
Непараллель* ность	3		16	42		39
Неперпенди-кулярность	3		19	36		42
степенное значение имеет число сторон заготовки, которые должны быть подвергнуты обработке. У различных заготовок может быть от одной до пяти сторон обработки, а в некоторых случаях — и до девяти. Обработка таких заготовок требует наличия станков различных компоновок — вертикальных, горизонтальных, с поворотными или глобусными столами, одно- или
двухшпиндельных. Анализ
возможностей обработки корпусных заготовок на обрабатывающих центрах, проведенный над 2000 чертежей деталей станкостроительной, автомобильной, тракторной, приборостроительной и частично авиационной отраслей промышленности, показывает, что около 20 % заготовок обрабатываются за две операции с помощью одного—трех инструментов. К этим заготовкам не предъявляют высоких требований точности. Их обработку целесообразно осуществлять на недорогих и простых сверлильных, фрезерных и им подобных станках. Остальные 80 % заготовок требуют выполнения
большого числа операций, при осуществлении которых необходимое количество инструментов достигает нескольких десятков. Примене-
427
ние обрабатывающих центров в данном случае представляется весьма целесообразным. Анализ показал, что 18 % общего количества пригодных для обрабатывающих центров заготовок требуют обработки с одной стороны; 32 % заготовок — с двух, трех и четырех сторон (что возможно при повороте заготовки вокруг одной оси, т. е. при наличии поворотного стола); 35 % заготовок — с пяти, шести и семи сторон (что возможно при повороте заготовки вокруг двух осей, т. е. при наличии глобусного стола); 15 % заготовок — с шести, семи и восьми сторон. Во всех случаях одна плоскость заготовки, по которой производится базирование, недоступна для обработки, поэтому ее невозможно полностью обработать за одну операцию при одном устанозе.
Существенное значение для выбора модели обрабатывающего центра имеет конструктивное оформление заготовки, в частности взаимное расположение обрабатываемых поверхностей (параллельное, перпендикулярное, наклонное), их форма, определяющая возможность обработки на проход или требующая дополнительного врезания инструмента либо обработки по контуру. Статистический анализ заготовок показывает, что 78 % плоскостей являются открытыми и могут быть выполнены сквозным однопроходным фрезерованием, для 8 % заготовок требуется обработка по контуру или по двум либо трем направлениям перемещения инструмента и для 14 % плоскостей требуется внутренняя обработка. Анализ также показывает, что обработку 42 % заготовок необходимо производить в параллельных плоскостях, 43 % заготовок — в перпендикулярно расположенных поверхностях и у 15 % заготовок плоскости расположены наклонно друг к другу.
Степень сложности и стоимость обрабатывающего центра, а следовательно, и себестоимость обработки заготовок с его помощью в значительной степени зависят от количества гнезд в инструментальном магазине станка. В связи с этим при выборе модели обрабатывающего центра очень важно предварительно определить количество инструментов, которые фактически потребуются при обработке заготовок по проектируемому технологическому процессу. Анализ технологических процессов обработки большого числа корпусных заготовок различных машин и приборов показал, что для изготовления каждой из них требуется от 4 до 48 инструментов. При этом было установлено следующее распределение заготовок по их потребности в инструментах:
Число различных инструментов, применяемых при обработке заготовки, не более, шт, . .	10	20	30	40	50
Количество заготовок, % ...	18	50	17	10	5
Из предыдущего следует, что 85 % заготовок могут быть обработаны на обрабатывающих центрах с емкостью инструментального магазина до 30 инструментов. В других отраслях промышленности могут встретиться более сложные корпусные заготовки, требующие значительно большей емкости инструментальных магазинов, до-428
стирающей 100 и более гнезд. Выше было сказано, что подобные обрабатывающие центры разработаны отечественной и зарубежной промышленностью, однако они имеют высокую стоимость. Так, при обработке заготовки, требующей по своей конструкции 15 инструментов и максимальных перемещений 400x400x800 мм, на большой модели обрабатывающего центра с магазином на 120 инструментов и перемещениями 800x800x 1200 мм ее себестоимость оказывается на 30 % выше, чем при изготовлении на обрабатывающем центре, имеющем магазин на 20 инструментов,
Опыт показывает, что стоимость 1 станко-ч обрабатывающего центра с позиционным управлением не превышает 0,6 стоимости 1 станко-ч близкого по конструкции обрабатывающего центра с контурным управлением, поэтому технологическая себестоимость обработки на обрабатывающем центре в первом случае почти в два раза ниже, чем во втором.
Таким образом, для достижения наибольшей экономичности обработки необходимо по возможности использовать простейшие и наиболее дешевые модели обрабатывающих центров, технологические возможности которых ограничиваются реальными требованиями обработки конкретных заготовок.
Выбор технологических баз. Стремление к возможно более полной обработке поверхностей корпусных заготовок сложной формы на одном станке при одном закреплении заготовки, характерное при использовании обрабатывающих центров, накладывает свои ограничения на выбор контактных технологических баз. Первостепенной задачей, возникающей при выборе контактных баз и мест крепления заготовки, является создание условий доступности подхода инструментов ко всем поверхностям, подлежащим обработке. Если возможна полная обработка заготовки за одну операцию при одном ее закреплении, то контактными базами должны быть необрабатываемые поверхности. При необходимости обработки заготовки с шести сторон и невозможности ее полной обработки за одну операцию выбор контактных баз должен осуществляться из условия такой концентрации переходов, которая позволит выполнить полную обработку заготовки на обрабатывающем центре за минимальное число операций (установов).
При отсутствии условий крепления заготовки по необрабатываемым поверхностям иногда используют ложементы, отливаемые из алюминиевых сплавов или эпоксидных смол. Если это невозможно, то целесообразно полную обработку заготовок выполнять на обрабатывающем центре не более чем за две операции. В первой операции следует выполнять обработку базовых поверхностей и поверхностей, получение которых возможно при том же креплении и заготовки, во второй — обработку всех остальных поверхностей. В некоторых случаях первоначальную обработку базовых поверхностей выполняют на обычных станках, а всю последующую обработку — на обрабатывающих центрах. Крепление заготовок по необрабатываемым поверхностям должно обеспечивать постоянство их положения относительно начала координат, для того чтобы осуществить рав
429
номерное распределение припуска на каждой обрабатываемой поверхности.
Наряду с доступностью обработки, выбор контактных базовых поверхностей и метод крепления заготовки должны обеспечить: надежную устойчивость заготовки и нечувствительность к возмущающим силам резания; отсутствие деформации заготовки в процессе закрепления и обработки; постоянство положения устанавливаемых на станке заготовок относительно начала системы координат. В отличие от обработки заготовок на универсальных и специальных станках, при которой базовыми поверхностями осуществляется не только ориентация заготовки относительно режущих инструментов и направления их перемещения, но и обеспечивается точность выполнения размеров от этих баз, при обработке заготовок на обрабатывающих центрах точность взаимного расположения обрабатываемых поверхностей мало зависит от выбранных контактных базовых поверхностей. При этом отсчет размеров осуществляется от начала системы координат, с которой связывается одна из поверхностей заготовки, часто являющаяся настроечной базой. Все размеры и точность взаимного расположения поверхностей обеспечиваются станком по командам ЧПУ.
В качестве технологических баз при обработке заготовок на обрабатывающих центрах стремятся использовать конструкторские или сборочные базы заготовки, т. е. придерживаются принципа совмещения баз. При установке заготовок на обработанные поверхности для их базирования используют обычные сочетания контактных баз (установочная, направляющая и опорная базы или установочная база — плоскость и два отверстия). При установке заготовок на необработанные поверхности в качестве контактных технологических баз можно использовать необработанные поверхности контура нли проверочные технологические базы, которыми служат линии разметки осей и центров, соответствующие положению конструкторских баз заготовок.
Совмещение систем координат станка, приспособления и обрабатываемой заготовки (установление нулей отсчета). Последовательность обработки различных поверхностей заготовки на обрабатывающих центрах, обеспечение требуемых перемещений рабочих органов станка, длин хода инструмента, межосевых расстояний, позиционирования, расстояния между плоскостями, расстояния осей отверстий от базовых плоскостей и так далее осуществляются по командам ЧПУ. Весь отсчет размеров в процессе обработки ведется от начала отсчета, принятого на станке (начало системы координат). Для обеспечения требуемых размеров заготовки необходимо при ее установке совместить начало отсчета размеров у заготовки с началом отсчета размеров у станка. В связи с этим система простановки размеров заготовок должна совпадать с системой отсчета размеров на станке.
При работе на обрабатывающих центрах различают три системы координат и три начала отсчета. Начало первой системы координат связано с фиксацией крайних положений рабочих органов станка. 430
В этом положении нуль-индикаторы системы отсчета регламентируют начало отсчета перемещений. От этого начала (нуля отсчета) определяется положение рабочих органов, если информация о нем потеряна, например вследствие непроизвольного выключения напряжения питания.
Рис. 14.12
Определение положения начала системы координат; а — схема перемещения стола; б — положение стола при начале отсчета; в — установка базирующих элементов па столе; г — измерение расстояния между оправкой и опорной поверхностью установочного элемента; д — крайнее продольное положение стола; е — система координат, образованная положением установочных элементов приспособлений
При вращении двигателя М и соединенного с ним винта перемещается стол (рис. 14.12, а). На втором конце винта укреплен^датчик /, фиксирующий изменение положения стола. На боковой поверхности стола находится упор, а на салазках — два конечных выключателя. Конечный выключатель 2 блокирует и отключает
431
систему, когда стол доходит до предельного положения, а выключатель 3 отключает систему, когда датчик 1 займет нулевое положение, т. е. зафиксирует начало отсчета. От этого положения (рис. 14.12, 6} определяют расстояния до установленных на столе опорных устройств, служащих для базирования заготовки.
Установка опорных и установочных базирующих элеменюв приспособлений осуществляется на столе станка по Т-образным пазам (рис. 14.12, б, в). Их располагают так, чтобы обрабатываемая заготовка находилась в средней части рабочей поверхности стола, удобной для обработки. После установки и крепления базирующих элементов 4 и 5 перемещают стол в крайнее поперечное положение, при котором нуль-индикатор отсчетной системы покажет начало отсчета — начало координатной оси У для станков с вертикальным шпинделем и оси Z для станков с горизонтальным шпинделем.
В шпиндель станка устанавливают оправку 6, диаметр которой d точно измерен. Далее индикаторной скобой или индикаторным штих-массом измеряют расстояние между оправкой 6 и опорной поверхностью 4 установочного элемента, т. е. размер у — d/2 (рис. 14.12, г). Затем стол перемещают в крайнее продольное положение, при котором нуль-индикатор отсчетной системы покажет нуль по оси X (рис. 14.12, д). Измеряют расстояние между опорной поверхностью <5 установочного элемента и оправкой 6 в шпинделе, т. е. х — d/2. Значения измеренных расстояний от оси шпинделя до опорных поверхностей (например, х = 253,458; у — 126,231) определяют нуль отсчета, по которому будет введена информация при настройке ЧПУ.
Введем в отсчетную систему ЧПУ смещение нуля отсчета (коррекцию размеров): х — —253,458 и у — 126,231. Тогда ее нуль отсчета будет соответствовать положению оси шпинделя, совмещенному с началом системы координат, образованной положением установочных элементов приспособления (рис. 14.12, а). Если начало отсчета системы координат у заготовки выбрано от ее опорных поверхностей, то это будет второй системой координат, принятой при обработке заготовки. Если же координаты отсчитываются по приращениям, например от оси отверстия, то в систему ЧПУ вновь вводят коррекцию размеров на расстояния от опорных поверхностей заготовок до оси отверстия, указанные на чертеже. В этом случае точка на оси отверстия будет началом третьей системы координат.
Обработка отверстий консольным инструментом без направляющих втулок. Процесс обработки на обрабатывающих центрах осуществляется, как правило, без специальной оснастки, и в основном при этом используют стандартные принадлежности к станку. Растачивание основных отверстий и сверление крепежных отверстий производят, не используя расточные приспособления, кондукторы и кондукторные втулки. Все параметры точности заготовки обусловливаются точностью станка, инструментов и точностью исполнения команд ЧПУ.
Для повышения точности обработки, уменьшения увода и отжатия инструменты должны быть жесткими, т. е. максимально короткими. В связи с этим растачивание отверстий, лежащих на одной 432
оси и расположенных в нескольких параллельных стенках, приходится выполнять с двух сторон, осуществляя поворот стола с заготовкой. Одновременное растачивание нескольких лежащих на одной оси отверстий одной расточной борштангой, выполняемое с одной стороны заготовки, не обеспечивает требуемого межосевого расстояния, параллельности, допустимого перекоса осей, соосности отверстий, так как происходит отжатие и увод инструмента.
Как правило, обрабатывающие центры имеют один инструментальный шпиндель, поэтому обработка поверхностей выполняется последовательно, без совмещения переходов. Работа без кондукторных втулок при наличии одного шпинделя позволяет растачивать отверстия с малыми межосевыми расстояниями и близкими осями в одной операции и при одном установе заготовки (известно, что невозможно растачивать или сверлить близко расположенные отверстия на агрегатных или радиально-сверлильных станках по кондукторным втулкам и это вызывает необходимость делить процесс обработки на несколько операций или позиций). Выделение тепла при работе одним инструментом значительно меньше, чем при многоинструментной обработке, поэтому тепловые деформации заготовки ниже, чем при обработке на продольно-фрезерных и агрегатных станках.
Во избежание увода сверл на обрабатывающих центрах перед сверлением производят центрование короткими центровыми сверлами, препятствующее уводу инструмента. Оставшийся след центрового сверла после сверления служит фаской, облегчающей врезание метчика при нарезании резьбы. Общепринятый технологический процесс обработки крепежных отверстий — сверление, растачивание фаски, нарезание резьбы — несколько изменяется: центрование и растачивание фаски, сверление, нарезание резьбы.
Первый ход при обработке литых отверстий необходимо выполнять растачиванием резцом, установленным в борштанге. Неравномерность снимаемого припуска пои первом ходе вызывает отжим и увод инструмента. Если первый ход выполняется зенкером, то вследствие неравномерного припуска радиальная и тангенциальная составляющие силы резания, возникающие на каждом лезвии инструмента, неодинаковы и под действием равнодействующей этих сил происходят смещение и увод инструмента, а следовательно, смещается и ось обработанного отверстия относительно требуемой координаты. При этом диаметр отверстия остается неизменным. Последующая обработка отверстия многолезвийными инструментами не может полностью изменить положение оси.
При растачивании отверстия резцом вследствие неравномерности припуска непрерывно изменяется сила резания, действующая на лезвие, что приводит к смещению резца относительно оси. Расточенное отверстие не будет иметь круглой формы, но увод и смещение оси будут значительно меньше. Последующее растачивание отверстий полностью восстанавливает требуемое положение оси. Следовательно, при обработке литых отверстий необходимо отдавать предпочтение растачиванию, а не зенкерованию, хотя последнее
483
и более производительно. Для уменьшения радиальной составляющей силы резания при зенкеровании рекомендуется применять зенкеры с торцовыми режущими лезвиями, так как возникающие в этом случае осевые силы меньше деформируют стержень инструмента или борштангу и вызывают меньшее отклонение и увод оси.
При обработке литых отверстий большого диаметра первый переход целесообразно выполнять фрезерованием концевыми фрезами по контуру отверстия. Неравномерный припуск, обусловливающий изменяющуюся по окружности отверстия силу резания, вызывает лишь незначительное смещение жесткого инструмента относительно оси отверстия, соответственно искажая его форму. Последующий переход должен быть выполнен растачиванием, при котором устраняются погрешности формы и увод оси отверстия.
Выбор последовательности обработки отверстий в корпусной заготовке, имеющей большое число отверстий, расположенных с разных сторон и обрабатываемых с различной точностью, имеет большое значение для производительности операции, выполняемой на обрабатывающем центре. Эта последовательность устанавливается исходя из принципа выбора кратчайшего пути перемещений узлов станка.
Общая трудоемкость обработки всех отверстий заготовки по различным схемам, а следовательно, и последовательность обработки отверстий, обеспечивающая наибольшую производительность обработки, должны определяться соответствующими расчетами затрат времени при каждом возможном варианте обработки.
Время обработки на обрабатывающем центре суммируется из времени, затрачиваемого на установку и снятие заготовки; суммарного машинного времени обработки всех поверхностей; времени, затрачиваемого на подвод, вывод и отвод инструментов; времени, затрачиваемого на смену инструментов; времени, затрачиваемого на перемещение стола с заготовкой относительно требуемой координаты, и времени, расходуемого на поворот стола с заготовкой для обработки поверхностей, расположенных с другой стороны.
Время, затрачиваемое на установку и снятие заготовки, машинное время и непосредственно связанное с ним время, затрачиваемое на подвод и отвод инструмента, независимо от используемой схемы остается одинаковым, так как охватывает время обработки одних и тех же отверстий по тем же переходам с соответствующими им режимами резания. В связи с этим при оценке вариантов по их трудоемкости сопоставляются затраты времени на выполнение несовмещенных вспомогательных перемещений.
Фрезерование плоскостей. Фрезерование, как правило, производится в самом начале операции обработки сложной корпусной или коробчатой заготовки на обрабатывающем центре. При этом черновое фрезерование рекомендуется производить торцовыми фрезами малого диаметра последовательными проходами вдоль обрабатываемой поверхности. В этом случае меньше сказывается влияние неравномерного или повышенного припуска, меньше возникающее усилие резания, меньше вибрации и дребезжание стола. Минутная подача при работе фрезами большого диаметра меньше минутной
434
подачи при работе фрезами малого диаметра, а следовательно, и производительность обработки ниже.
Фрезерование плоскостей фрезами большого диаметра на обрабатывающих центрах вообще нежелательно. При установке в инструментальном магазине, особенно звездообразного или револьверного типа, крупные фрезы перекрывают соседние гнезда, и расположение в них инструментов становится невозможным. Смена инструментов больших размеров автооператором усложняется. Фрезерование несплошных плоскостей целесообразно выполнять обходом по контуру фрезами малого диаметра.
Коробление заготовок и операции старения. Большая номенклатура корпусных заготовок по технологическому процессу их обработки требует естественного или искусственного старения. Старение вынуждает делить процесс обработки на черновые и чистовые операции, между которыми оно выполняется. Корпусные заготовки из легких сплавов проходят естественное старение во время межоперационного пролеживания между несколькими операциями. Это не позволяет полностью концентрировать процесс обработки и осуществлять всю обработку заготовки за одну операцию при одном ее установе вследствие возможных коробления и брака. В подобных случаях обработку заготовок приходится проводить на отдельных станках для предварительной и окончательной обработки. К станкам, выполняющим предварительные черновые операции, предъявляются при этом меньшие требования по точности. При обработке заготовок на обрабатывающих центрах желательно производить их старение до начала механической обработки, однако это связано с опасностью возникновения короблений после снятия литейных корок и удаления основного припуска. В связи с этим при обработке заготовок сложной конфигурации возможность и необходимость старения заготовок перед их обработкой следует проверять экспериментально.
Разработка стандартных циклов или повторяемых программ. Ранее указывалось, что корпусные заготовки часто имеют группы одинаковых поверхностей и отверстий. Процесс их обработки и его последовательность, режущий инструмент и последовательность его перемещений и замены, изменение режимов обработки и т. п. для каждого отверстия остаются одинаковыми и повторяются. Чтобы упростить составление технологического процесса и программы обработки заготовок, а также для упрощения кодирования процесса обработки, целесообразно составить наиболее часто повторяющиеся стандартные циклы движения инструмента, стола и салазок. Постоянные стандартные циклы при сверлении, растачивании, фрезеровании позволяют выполнять последовательно одинаковые операции, программируя только цикл первой и устанавливая для выполнения последующих только значения координат х и у. Постоянные циклы обработки, наряду с упрощением разработки технологии, способствуют повышению производительности за счет сокращения вспомогательных и холостых пробегов. Так, при повторении циклов устраняется время, затрачиваемое на подвод инструмента, по
435
скольку при обратном ходе он останавливается на уровне поверхности обрабатываемой заготовки.
В качестве примера на схемах рис. 14.13 приведены стандартные рабочие циклы, осуществляемые постпроцессором станка «Auctor» фирмы «Оливетти» (Olivetti). Здесь а — сверление на постоянном цикле отверстий одного диаметра на одинаковую глубину; б — сверление любого количества отверстий различной глубины; в — сверление глубокого отверстия с программированным выводом сверла для удаления стружки; г — сверление отверстия с периодическими остановками сверла для дробления стружки; д — последовательное
Рис. 14.13
Стандартные циклы обработки на обрабатывающем центре фирмы «Оливетти» (Olivetti)
растачивание нескольких одинаковых отверстий; е — растачивание отверстия, остановка вращения шпинделя, отвод невращающегося инструмента; ж — растачивание гладкого отверстия с выточками: периодическое сочетание рабочего хода — ускоренного перемещения — рабочего хода — ускоренного перемещения и т. д. по оси; з — контурное торцовое фрезерование плоскости; и — последовательное фрезерование нескольких поверхностей, лежащих в одной плоскости, с периодическим сочетанием рабочих и ускоренных перемещений детали между поверхностями; к — последовательное выполнение различных видов работ: фрезерование плоскостей, растачивание отверстий, сверление, цекование фаски, нарезание резьбы в глухих и сквозных отверстиях, подрезание торцов бобышек; л — торцовая обработка выемок, цекование под головки болтов с остановкой и выдержкой инструмента по окончании рабочего осевого хода; м — последовательное фрезерование нескольких пазов с ускоренными перемещениями холостых ходов, фрезерование окон и шпоночных канавок методом маятниковой подачи; н — последо
436
вательное фрезерование плоскостей, расположенных на различных уровнях; о — фрезерование кулачков по контуру.
Таким образом, можно сделать вывод, что применение станков с ЧПУ, включая обрабатывающие центры, имеющих ряд новых технологических возможностей, позволяет значительно повысить точность, производительность и экономичность обработки. В несколько раз повышается производительность труда, сокращается длительность производственного цикла, повышаются качество и однородность продукции, уменьшается потребность в производственных площадях, снижается потребность в высококвалифицированных рабочих (за счет многостаночного обслуживания, а также в связи со значительным упрощением обслуживания высокоавтоматизированного станка с ЧПУ по сравнению с универсальным станком).
Последнее обстоятельство приобретает особое значение в условиях технического прогресса в связи с быстрым ростом объема советского машиностроения, требующим непрерывного пополнения промышленных предприятий новыми кадрами высококвалифицированных рабочих.
Молодые рабочие 2-го и 3-го разрядов успешно выполняют на настроенных станках с ЧПУ точные работы (6-го и 7-го квалитетов точности) и обработку сложных фасонных контуров, доступных для выполнения на универсальных станках с РУ только рабочим высшей квалификации.
Это позволило ряду отечественных машиностроительных заводов снизить свои потребности в числе высококвалифицированных рабочих путем создания специальных участков с ЧПУ. В связи с этим определение эффективности применения станков с ЧПУ и денежной экономии по известным методикам ее расчета не всегда может дать окончательное решение вопроса о целесообразности внедрения этих станков. Даже в тех случаях, когда применение станков с ЧПУ не дает денежной экономии, их внедрение может принести предприятию ряд других важных преимуществ.
Глава 15
ТЕХНОЛОГИЯ СБОРКИ МАШИН
§ 15,1
ХАРАКТЕРИСТИК СБОРОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ
ЗНАЧЕНИЕ СБОРКИ В ПРОЦЕССЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАШИН
Процесс сборки является заключительным этапом изготовления машины, в значительной степени определяющим ее основные эксплуатационные качества. Условия достижения высоких эксплуатационных качеств машины не ограничиваются созданием ее удачной конструкции или применением высококачественных материалов для
437
изготовления ее деталей. Не гарантирует этих качеств и высокоточное изготовление деталей с обеспечением оптимального состояния поверхностных слоев их сопряженных или рабочих поверхностей. Процесс изготовления машины может гарантировать достижение всех требуемых ее эксплуатационных показателей, а также ее надежности и долговечности в эксплуатации лишь при условии высококачественного проведения всех этапов сборки машины (т. е. сборки и регулировки отдельных сборочных единиц-узлов и общей сборки и испытаний изготовляемого изделия в целом).
Это связано с тем, что в процессе сборки вполне доброкачественных изделий по разным причинам могут возникать погрешности взаимного расположения деталей, существенно снижающие точность и служебные качества собираемого изделия. Причинами возникновения таких погрешностей могут быть:
1.	Ошибки, допускаемые рабочими при ориентации и фиксации установленного положения собираемых деталей (образование зазоров между торцами втулок, монтируемых на валах, и торцами соответствующих фланцев и буртиков валов в связи с недостаточно плотным их соединением сборщиком или сдвигом втулки сверлом при засверловке стопорного отверстия на валу «по месту» через отверстие во втулке; попадание грязи и стружки между сопрягаемыми поверхностями; совпадение эксцентриситетов наружной и внутренней поверхностей втулок, посадочной шейки вала, на которой монтируется втулка, и его опорных шеек; нарушение правильной последовательности затяжки винтовых соединений и непостоянство усилия затяжки и т. п.).
2.	Погрешности установки калибров и измерительных средств, применяемых при сборке; погрешности регулирования, пригонки и контроля точности положения детали в машине, достигнутого при сборке, а также собственные погрешности измерительных средств.
3.	Относительные сдвиги деталей в промежутке времени между их установкой в требуемые положения и их фиксацией в этом положении.
4.	Образование задиров на сопрягаемых поверхностях деталей.
5.	Упругие деформации сопрягаемых деталей при их установке и фиксации и пластические деформации поверхностей сопряжений, нарушающие их точность и плотность соединений.
Примером очень большого влияния качества сборки на эксплуатационные свойства изделий могут служить данные об изменении долговечности службы ответственного болтового соединения в зависимости от усилия его предварительной затяжки, приведенные в табл. 15.1.
Эти данные показывают, что одни и те же детали соединения при разных условиях сборки могут изменять долговечность службы в сотни и даже тысячи раз.
Выполнение сборочных работ связано с большой затратой времени, составляющей значительную долю общей трудоемкости изготовления машины. В зависимости от типа производства затраты 438
времени на сборочные работы составляют (в процентах от общей трудоемкости изготовления машин);
В массовом и крупносерийном производствах...........20—30
В серийном производстве ............................25—35
В единичном и мелкосерийном производствах..........35—40
В различных отраслях машиностроения доля сборочных работ различна и приблизительно составляет (в процентах от общей трудоемкости изготовления машин и приборов):
В тяжелом машиностроении............................30—35
В станкостроении...................................25—30
В автомобилестроении................................18—20
В приборостроении...................................40—45
Следует отметить, что основная часть (50—85 %) слесарно-сборочных работ представляет собой ручные работы, требующие боль-
ших затрат физического труда и высокой квалификации рабочих.
Большая трудоемкость слесарно-сборочных работ не только существенно увеличивает общую трудоемкость изготовления машин, но и приводит к значительному ухудшению экономических показателей работы предприятия, связанному с большим скоплением на сборке дорогостоящих готовых деталей и узлов, увеличивающим стоимость незавершенного производства предприятия и снижающим оборачи-
Таблица 15.1
Влияние усилия предварительной затяжки болта на долговечность ответственного болтового соединения [6]
Усилие предварительной затяжки болта, Н	Диапазон изменения рабочей нагрузки, Н	Средняя долговечность срока службы болта в циклах
6 320 26 300 32 100 37 500	0-41 000	5 960 35 900 214 500 5 000 000
ваемость оборотных средств.
Изложенные причины превращают проблему повышения качества и производительности сборки в одну из первоочередных и важнейших
задач технического прогресса современного машиностроения.
КЛАССИФИКАЦИЯ ВИДОВ СБОРКИ
Сборка — это образование разъемных или неразъемных соединений составных частей заготовки или изделия. Сборка может осуществляться простым соединением деталей, их запрессовкой, свинчиванием, сваркой, пайкой, клепкой и т. д. По своему объему сборка подразделяется на общую сборку, объектом которой является изделие в целом, и на узловую сборку, объектом которой является составная часть изделия, т. е. сборочная единица или узел.
В условиях единичного и мелкосерийного типов производств основная часть сборочных работ выполняется на общей сборке и лишь малая их доля осуществляется над отдельными сборочными
439
единицами. С увеличением серийности производства сборочные работы все больше раздробляются по отдельным сборочным единицам, и в условиях массового и крупносерийного типов производств объем узловой сборки становится равным или даже превосходит объем общей сборки (табл. 15.2). Это в значительной мере способствует механизации и автоматизации сборочных работ и повышает их производительность. По стадиям процесса сборка подразделяется на виды, перечисленные ниже.
Предварительная сборка, т. е. сборка заготовок, составных частей или изделия в целом, которые в последующем подлежат разборке. Например, предварительная сборка узла с целью определения размера неподвижного компенсатора.
3725
Рис. 15.1
Сварная конструкция окалино-ломателя листопрокатного стана, выполненная нз литых элементов (масса станины — 17,4 т)
Таблица 15.2
Структура слесарно-сборочных работ в различных типах производства (в процентах к общей трудоемкости сборки) [6]
Тип производства
Вид сборочных работ
единичное
мелко-серий-
серийное
средие- крупно-серий- серий-
ное ное ное
массовое
Слесарные работы
Узловая сборка Общая сборка
25—30
5—10
60—70
20-25
10—15
60—70
15—20
20—30
50-65
10—15
30—40
45—60
45-60
40-55
Промежуточная сборка, т. е. сборка заготовок, выполняемая для дальнейшей их совместной обработки. Например, предварительная сборка корпуса редуктора с крышкой для последующей совместной обработки отверстий под подшипники; предварительная сборка шатуна с крышкой шатуна для обработки отверстия под шатунные шейки коленчатого вала и т. п.
Сборка под сварку, т. е. сборка заготовок для их последующей сварки. Процесс соединения деталей при помощи сварки в большинстве случаев является сборочным и может быть введен непосредственно в поток узловой или общей сборки. Большой объем сборочных работ с применением сварки выполняется при изготовлении, например, кузовов и кабин различных транспортных машин. В процессе сварки основание, кабина и другие элементы кузова удерживаются в специальных приспособлениях фиксаторами, чем обеспечивается правильное положение элементов относительно друг друга.
Окончательная сборка, т. е. сборка изделия или его составной части, после которой не предусмотрена его последующая разборка при изготовлении.
440
Следует обратить внимание, что после окончательной сборки для некоторых изделий может следовать демонтаж, в состав которого входят работы по частичной разборке собранного изделия с целью подготовки его к упаковке и транспортированию к потребителю (например, сборка крупных паровых и гидравлических турбин и т. п.).
По методу образования соединений сборка подразделяется на;
слесарную сборку, т. е. сборку изделия или его составной части при помощи слесарно-сборочных операций;
монтаж, т. е. установку изделия или его составных частей на месте использования (например, монтаж станка с ЧПУ на предприятии-потребителе; монтаж турбины на месте ее постоянной работы совместно с генератором на ГРЭС, ТЭЦ и т. п.);
электромонтаж, т. е. монтаж электроизделий или их составных частей, имеющих токоведущие элементы;
сварку (рис. 15.1), пайку, клепку и склеивание.
Необходимо отметить, что значительно усовершенствованный за последние годы процесс создания неразъемных соединений склеиванием обеспечивает высокую прочность соединений.
Значения разрушающей нагрузки при сдвиге в ньютонах для различных видов соединений приводятся ниже [61:
Прессовая посадка втулки............ ...	1570
Прессовая посадка той же втулки с карбинольным клеем 3310 Вклеивание втулки со скользящей посадкой карбинольным клеем ................................. 4540
При склеивании не происходит деформации и ослабления стенок склеиваемых деталей и не требуется нагрева выше 150—200 °C. Соединения устойчивы против воздействия керосина, бензина, масла, воды, кислот и щелочей и применяются для создания таких ответственных конструкций, как крылья самолетов, винты вертолетов, корпуса ракет. Применение склеивания вместо пайки на соединениях различных трубопроводов ограничивается плохой склеива-емостью медных и латунных деталей и неустойчивостью соединений против повышенной температуры (свыше 60 °C).
ОРГАНИЗАЦИОННЫЕ ФОРМЫ СБОРКИ
В различных типах и при разных условиях производства организация сборки приобретает различные формы, указанные на рис. 15.2. По перемещению собираемого изделия сборка подразделяется на стационарную и подвижную, по организации производства — на непоточную, групповую и поточную.
Непоточная стационарная сборка характеризуется тем, что весь процесс сборки и его сборочных единиц выполняется на одной сборочной позиции: стенде, станке, рабочем месте, на полу цеха. Все детали, сборочные единицы (узлы) и комплектующие изделия поступают на эту позицию.
Этот вид сборки может выполняться без расчленения сборочных работ, когда вся сборка изделия производится одной бригадой рабочих-
441
сборщиков последовательно, т. е. от начала до конца. В этом случае применяется концентрированный технологический процесс сборки, состоящий из небольшого числа сложных операций. Л достоинствам этого метода следует отнести: 1) сохранение неизменного положения основной базовой детали, что способствует достижению высокой точности собираемого изделия (особенно при крупных изделиях с недостаточно жесткой конструкцией); 2) использование универсальных транспортных средств, приспособлений и инструментов, что сокращает продолжительность и стоимость технической подготовки производства.
Рис. 15.2
Схема организационных форм сборки
Недостатками этого метода являются: 1) длительность общего цикла сборки, выполняемой последовательно; 2) потребность в высококвалифицированных рабочих, способных выполнять любую сборочную операцию; 3) увеличение потребности в больших сборочных стендах и высоких помещениях сборочных цехов, так как каждая машина, собираемая на стенде от начала до конца, длительное время занимает монтажный стенд. Это особенно существенно при увеличении производственной программы выпуска крупных машин, когда их выпуск лимитируется наличием монтажных стендов и высоких сборочных цехов.
Областью применения стационарной неподвижной сборки является единичное и мелкосерийное производство тяжелого и энергетического машиностроения, экспериментальные и ремонтные цехи (сборка крупных дизелей, прокатных станов, крупных турбин и т. п.).
Непоточная стационарная сборка с расчленением сборочных работ предполагает дифференциацию процесса на узловую и общую сборку. 442
Сборка каждой сборочной единицы и общая сборка выполняются в одно и то же время разными бригадами и многими сборщиками. Собираемая машина остается неподвижной на одном стенде. В результате такой организации длительность процесса сборки значительно сокращается.
Расчетное количество рабочих позиций или стендов у0 для параллельной сборки одинаковых объектов подсчитывается по формуле
То = (То - Тй)1Т,	(15.1)
где То — расчетная трудоемкость всех переходов сборки одного объекта; Тс — расчетная трудоемкость переходов, выполнение которых совмещено во времени с выполнением других объектов; Т — расчетный такт сборки.
Областью экономичного использования данного вида сборки является производство изделий, изготовляемых единицами или в небольших количествах [1].
Преимущества сборки с расчленением на узловую и общую сборку приводятся ниже. 1. Значительное сокращение длительности общего цикла сборки. 2. Сокращение трудоемкости выполнения отдельных сборочных операций за счет: а) специализации рабочих мест сборки узлов и их оборудования соответствующими приспособлениями и механизирующими устройствами; б) специализации рабочих-сборщиков определенных узлов и приобретения ими соответствующих навыков; в) лучшей организации труда (рабочие не скапливаются одновременно на ограниченном пространстве монтажного стенда и не мешают друг другу, как это имеет место при однобригадной стационарной сборке). 3. Снижение потребности в дефицитной рабочей силе сборщиков высокой квалификации. 4. Более рациональное использование помещения и оборудования сборочных цехов (узловая сборка может производиться в более низких помещениях, не оборудованных мощными кранами и другими устройствами). 5. Уменьшение размеров высоких помещений сборочных участков, оборудованных мощными подъемно-транспортными устройствами, требуемых для размещения монтажных стендов, так как при разделении узловой и общей сборки длительность пребывания собираемой машины на стенде сокращается. 6. Сокращение себестоимости сборки.
Применение узловой сборки возможно лишь при соответствующем оформлении конструкции изделия, предусматривающем расчленение его на технологические сборочные единицы, которые могут быть собраны независимо друг от друга. В связи с этим расчленение изделия на отдельные конструктивно-технологические сборочные единицы является одним из основных условий технологичности конструкции.
Областью экономичного использования данного вида сборки является серийное производство средних по размеру и крупных машин.
Непоточная подвижная сборка характеризуется последовательным перемещением собираемого изделия от одной позиции к другой. Пере-
443
мещение собираемого объекта от одной рабочей позиции к другой может быть свободным или принудительным. Технологический процесс сборки при этом разбивается на отдельные операции, выполняемые одним рабочим или небольшим их числом.
Сборка со свободным перемещением собираемого объекта заключается в том, что рабочий, закончив свою операцию, с помощью механизирующих средств или вручную перемещает собираемую сборочную единицу на следующую рабочую позицию. Сборочные единицы могут также собираться на тележках, стоящих на рельсовых путях, на рольгангах и т. п.
Сборка с принудительным передвижением собираемого объекта состоит в том, что объект сборки передвигается при помощи конвейера или тележек, замкнутых ведомой цепью. Сборка может выполняться как на конвейере, так и возле него. Организация подвижной сборки возможна только на основе расчленения сборочных работ.
Фактическая продолжительность выполнения каждой операции сборочного процесса колеблется, так как она зависит не только от квалификации и интенсивности труда сборщика, но также и от качества собираемых деталей. Для компенсации таких колебаний создается межоперационный задел.
Расчетное количество рабочих позиций qt, которые должен последовательно пройти собираемый объект в процессе сборки, подсчитывается [1] по формуле
?1 = (7’о-7’с)/{(/-^)?1Ь	(15.2)
где tn — расчетное время, необходимое для перемещения одного собираемого объекта с рабочей позиции на следующую; ?! — количество параллельных потоков, необходимых для выполнения производственной программы параллельной сборки одинаковых собираемых объектов; количество параллельных потоков определяется по формуле
Vi = (П™х + tn)/T,	(15.3)
где Топх — продолжительность наиболее длительной сборочной операции (трудоемкость всех несовмещенных переходов, составляющих наиболее длительную операцию).
Непоточная подвижная сборка находит экономичное применение при переходе от сборки единичных изделий к их серийному изготовлению.
Поточная сборка характеризуется тем, что при построении технологического процесса сборки отдельные операции процесса выполняются за одинаковый промежуток времени — такт, или за промежуток времени, кратный такту. При этом на более продолжительных операциях параллельно работают несколько рабочих-сварщиков. Обеспечение одинаковой продолжительности технологических операций, называемое синхронизацией операций, достигается их перестройкой, заключающейся в уменьшении числа их переходов или их механизации (когда требуется ускорить их выполнение) или включение 444
в операцию дополнительных элементов работы (когда трудоемкость операции меньше установленного такта).
Поточная сборка может быть организована со свободным или с принудительны ритмом. В первом случае рабочий передает собираемое изделие на соседнюю операцию по мере выполнения собственной работы, а во втором случае, при работе с принудительно-регулируемом ритмом, момент передачи выполненной работы на следующую операцию определяется сигналом (световым или звуковым) или скоростью непрерывно или периодически движущегося конвейера.
Межоперационное перемещение собираемого изделия при поточной сборке осуществляется: вручную или с помощью тележек, наклонного лотка или рольганга; с помощью распределительного конвейера, предназначенного для перемещения собираемых возле него изделий; на конвейере с периодическим перемещением, в период остановки которого на нем производится сборка; на непрерывно движущемся конвейере, перемещающем собираемое изделие со скоростью, обеспечивающей возможность выполнения сборочных операций. При перемещении собираемого изделия вручную скорость перемещения принимается равной 10—15 м/мин; при перемещении по лотку и рольгангу — до 20 м/мин; для распределительного конвейера — 30—40 м/мин и для непрерывно действующего конвейера — 0,25—3,5 м/мин.
Общая продолжительность поточной сборки Та = Тпп, где Т — такт сборки; пп — число рабочих мест на поточной линии, зависящее от числа сборочных и контрольных операций (с учетом резервных мест). Поточная сборка сокращает длительность производственного цикла и уменьшает межоперационные заделы деталей, повышает специализацию сборщиков и возможности механизации и автоматизации сборочных операций, что в конечном счете приводит к снижению трудоемкости сборки на 35—50 %.
Главным условием организации поточной сборки является обеспечение взаимозаменяемости собираемых узлов и отдельных деталей, входящих в поточную сборку. В случае необходимости использования пригоночных работ они должны осуществляться за пределами потока на операциях предварительной сборки. При этом пригнанные детали и узлы должны подаваться на поточную сборку в окончательно скомплектованном и проконтролированном виде. Ответственным и сложным вопросом организации поточной сборки является проблема операционного контроля качества сборки и обеспечение исправления обнаруженных при контроле дефектов без нарушения установленного ритма сборки.
Конструкция собираемого на потоке изделия должна быть хорошо отработана на технологичность.
Поточная сборка является рентабельной при достаточно большом объеме выпуска собираемых изделий.
Поточная стационарная сборка является одной из форм поточной сборки, требующей наименьших затрат на ее организацию. Она применяется при сборке крупных и громоздких, т. е. неудобных для транспортирования изделий (например, при сборке самолетов и т. п. изде
445
лий). При этом виде сборки все собираемые объекты остаются на рабочих позициях в течение всего процесса сборки. Рабочие (или бригады) по сигналу все одновременно переходят от одних собираемых объектов к следующим через периоды времени, равные такту. Каждый рабочий (или каждая бригада) выполняет закрепленную за ним (бригадой) одну и ту же операцию на каждом из собираемых объектов.
Расчетное количество рабочих (или бригад) qit необходимых для одного потока, подсчитывается 11] по следующей формуле:
?2 = (7,о-7’с)/!(7’-4)т2),	(15.4)
где /р — расчетное время для перехода рабочих (или бригад) от одних собираемых объектов к другим; у2 — количество параллельных потоков, необходимых для выполнения программы параллельной сборки одинаковых объектов.
Значение у3 определяется по формуле
У2 = (7’оп + /;)/7’.	(15.5)
Основным преимуществом данного вида сборки является работа с установленным тактом; результатами этого являются равномерный выпуск продукции, короткий цикл сборки, высокая производительность труда, высокий съем продукции с 1 м2 площади. Областью экономичного использования является серийное производство ряда машин, отличающихся недостаточной жесткостью базовых деталей, большими габаритными размерами и массой (например, производство тяжелых станков, крупных дизелей, тяжелых грузовых автомобилей, самолетов и т. п.).
Поточная подвижная сборка становится экономически целесообразной в тех случаях, когда выпуск машин и их сборочных единиц значительно возрастает. Данный вид сборки может быть осуществлен с непрерывно или периодически перемещающимися собираемыми объектами. Преимуществами поточной подвижной сборки являются выполнение работы с требуемым тактом и возможность почти полного совмещения времени, затрачиваемого на транспортирование объектов, со временем их сборки.
Расчетное количество рабочих позиций q3, которые должен пройти в процессе сборки собираемый объект, подсчитывается по следующим формулам 111: при сборке с непрерывным движением собираемого объекта
?з = (То-Тс)/|(Т- ,/)уз};	(15.6)
при сборке с периодическим движением собираемого объекта
^ = (Го-^с)/((Г-ит2};	(15.7)
Тз = (7,оГ + /Ж	(15.8)
где уз — количество параллельных потоков, необходимых для выполнения программы при параллельной поточной подвижной сборке объектов; tp — расчетное время, необходимое рабочему для возвращения в исходное положение после выполнения операции.
446
Длина рабочей части конвейера определяется из формулы 1раб = (L + 4) (<7з + 1),	(15.9)
где L — длина собираемого объекта, измеряемого в направлении движения конвейера, м; lL — промежуток времени между собираемыми объектами, необходимый для удобства сборки, м.
$ 15.2
РАЗМЕРНЫЕ РАСЧЕТЫ СБОРОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ
РАСЧЕТЫ СБОРОЧНЫХ РАЗМЕРНЫХ ЦЕПЕЙ
При соединении деталей машин в процессе сборки необходимо обеспечить их взаимное расположение в пределах заданной точности.
Под точностью сборки следует понимать свойство процесса сборки изделия обеспечивать соответствие значений параметров изделия заданным в конструкторской документации (ГОСТ 23887—79). В результате сборки должно быть обеспечено такое взаимное положение деталей и сборочных единиц, чтобы их исполнительные (функциональные) поверхности или сочетания этих поверхностей в своем относительном движении, а также в стабильном состоянии не выходили за пределы установленных допусков не только в процессе сборки, но и в процессе эксплуатации машины. Одним из средств определения рациональных допусков, обеспечивающих наиболее экономичную обработку деталей и сборку машин, является расчет и анализ размерных цепей.
Как известно, при расчете размерных цепей могут быть использованы различные методы, характеристики которых изложены в табл. 15.3.
Короткие технологические сборочные размерные цепи с числом составляющих звеньев не более трех рассчитываются по принципу полной взаимозаменяемости на максимум и минимум.
Конструкторские и сборочные размерные цепи во многих случаях имеют по четыре, пять и более составляющих звеньев, поэтому их расчет должен производиться вероятностным методом по принципу неполной взаимозаменяемости. При этом методе требуемая точность обеспечивается у заранее обусловленной части объектов посредством включения в размерную цепь составляющих звеньев без их выбора, пригонки или изменений их значений регулированием. При таком расчете некоторая часть деталей (обычно до 0,27 %) не будет собираться и может потребоваться замена. Расчет вероятностным методом, осуществляемый в этом случае, производится с учетом фактического распределения истинных размеров внутри полей их допусков и вероятности их различных сочетаний при сборке и механической обработке.
Методы расчета размерных цепей на максимум и минимум и вероятностный метод были подробно изложены в гл. 5. Ниже излагаются применяемые при сборке методы групповой взаимозаменяемости, регулирования и пригонки размеров при сборке.
447
Таблица 15.3
Методы достижения точности замыкающего звена, применяемые при сборке (ГОСТ 23887—79, ГОСТ 16319—80, ГОСТ 14.320—81)
Метод	Сущность метода	Область применения
Полной взаимозаменяемости	Метод, при котором требуемая точность замыкающего звена размерной цепи достигается у всех объектов путем включения в нее составляющих звеньев без выбора, подбора или изменения их значений	Использование экономично в условиях достижения высокой точности при малом числе звеньев размерной цепи и при достаточно большом числе изделий, подлежащих сборке
Неполной взаимозаменяемости	Метод, при котором требуемая точность замыкающего звена размерной цепи достигается у заранее обусловленной части объектов путем включения в нее составляющих звеньев без выбора, подбора или изменения их значений	Использование целесообразно для достижения точности в многозвенных размерных цепях; | допуски на составляющие | звенья при этом больше, чем в предыдущем методе, что повышает экономичность получения сборочных единиц; у части изделий погрешность замыкающего звена может быть за пределами допуска на сборку, т. е. возможен определенный риск несобираемо-сти
Групповой взаимозаменяемости	Метод, при котором требуемая точность замыкающего звена размерной цепи достигается путем включения в размерную цепь составляющих звеньев, принадлежащих к одной из групп, иа которые они предварительно рассортированы	Применяется для достижения наиболее высокой точности замыкающих звеньев малозвенных размерных цепей; требует четкой организации сортировки деталей на размерные группы, их маркировки, хранения и транспортирования в специальной таре
Пригонки	Метод, при котором требуемая точность замыкающего звена размерной цепи достигается изменением размера компенсирующего звена путем удаления с компенсатора определенного слоя материала (см. рис. 12.5)	Используется при сборке изделий с большим числом звеньев; детали могут быть изготовлены с экономичными допусками, но требуются дополнительные затраты на пригонку компенсатора; экономичность в значительной мере зависит от правильного выбора компенсирующего звена, которое не должно принадлежать нескольким связанным размерным цепям
44G
Продолжение табл. 15.3
Метод	Сущность метода	Область применения
Регулирова- НИЯ	Метод, при котором требуемая точность замыкающего звена размерной цепи достигается изменением размера или положения компенсирующего звена без удаления материала с компенсатора (см. рис. 15.6 и 15.7)	Аналогичен методу пригонки, но имеет большее преимущество в том, что при сборке не требуется выполнять дополнительные работы со снятием слоя материала; обеспечивает высокую точность и дает возможность периодически ее восстанавливать при эксплуатации машины
Сборка с компенсирующими материалами	Метод, при котором требуемая точность замыкающего звена размерной цепи достигается применением компенсирующего материала, вводимого в зазор между сопрягаемыми поверхностями деталей после их установки в требуемом положении (см. рис. 15.7)	Использование наиболее целесообразно для соединений и узлов, базирующихся по плоскостям (привалочные поверхности станин, рам, корпусов, подшипников, траверс и т. п.); в ремонтной практике для восстановления работоспособности сборочных единиц, для изготовления оснастки
МЕТОДЫ ГРУППОВОЙ ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМОСТИ (СЕЛЕКТИВНАЯ СБОРКА)
При достижении точности по методу групповой взаимозаменяемости требуемая точность замыкающего звена достигается путем включения в размерную цепь составляющих звеньев, принадлежащих к общей группе предварительно измеренных и рассортированных деталей. В этом случае детали изделия обрабатываются по расширенным, а также экономически достижимым производственным допускам и сортируются по их истинным размерам на группы с таким расчетом, чтобы при соединении деталей, входящих в определенные группы, было обеспечено достижение установленного конструктором допуска замыкающего звена и гарантирована требуемая точность сборочного соединения. Метод групповой взаимозаменяемости применяется главным образом для размерных цепей, состоящих из небольшого числа звеньев (обычно трех, иногда четырех), для сборочных соединений особо высокой точности, практически недостижимой методом полной взаимозаменяемости (шариковые подшипники, плунжерные пары, поршневой палец и отверстие поршня или верхней головки шатуна и т. п.).
Сборка по методу групповой взаимозаменяемости носит название селективной сборки (или сборки по методу подбора). Селективная сборка применяется не только для сопряжений цилиндрических деталей, но используется так же для конических, призматических
15 Маталии А. А.	449
и резьбовых соединений, а в некоторых случаях и для соединения нескольких деталей в многозвенных размерных цепях. В последнем случае сортировке на группы в пределах расширенных допусков могут подвергаться не только две какие-либо сопрягаемые детали из числа входящих в данную размерную цепь, но последовательно несколько пар деталей.
Расчет групповых допусков сводится к определению числа групп п, на которые должны быть рассортированы сопрягаемые детали, величины полей групповых допусков и предельных отклонений групповых размеров. Допуск замыкающего звена соединения, изображенного на рис. 15.3 (допуск зазора), при поставленных в чертеже
Рис, 15.3
Схема определения групповых допусков
широких экономически достижимых допу-сках составляющих звеньев TzljH ТА2 определяются выражением То =	— Дт1п =
= TAi + ТАг, где Дтах и Дга1п — наибольший и наименьший зазоры соединения.
Для повышения точности соединения без ужесточения экономически достижимых допусков на составляющие звенья 7’Л1 и ТА2 поля этих допусков делятся на п частей (групп), образуя групповые допуски TA\V и ТАТ^, Соответственно этому все детали, изготовленные по допускам ТАХ и ТА«, сортируются по группам в пределах групповых допусков и поступают на сборку групповыми комплектами (комплект валов и втулок первой группы, комплект второй группы и т. п.). При этом соединение валов и отверстий общей группы производится без всякого
дополнительного подбора, т. е. по принципу полной взаимозаме-
няемости.
Если по условиям эксплуатации изделия наибольший зазор соединения Ашах должен быть уменьшен до величины Дт»х (рис. 15.3), то необходимая величина группового допуска ТАГ2Р может быть определена из выражения
W = ДХх - Дт1о - ТА,,	(15.10)
где Дт(п — наименьший зазор соединения, определяемый эксплуатационными требованиями (обеспечение необходимого слоя смазки и т. п.), указанный в чертеже изделия.
Количество необходимых групп п определяется по формуле
п = ТА2/ТА?.	(15.11)
Для обеспечения равномерности соединений в разных группах (постоянство предельных зазоров во всех группах) необходимо, чтобы ТА± = ТА2, и тогда = ГЛг1’.
Сортировка деталей, изготовленных по широким допускам размеров, повышает точность соединений, уменьшая их зазоры про-
450
Рис. 15.4
Схема селективной сборки соединений яри противоположном направлении асимметрии законов распределения размеров сопрягаемых деталей
порционально числу принятых групп п. Однако при этом значительно возрастает влияние шероховатости сопрягаемых поверхностей и погрешностей их геометрической формы, обычно ограничиваемых величинами, пропорциональными выдерживаемым допускам иа размеры. При широких экономически достижимых допусках, по которым обычно обрабатываются сортируемые в дальнейшем детали, погрешности их формы н шероховатость бывают довольно значительными и недопустимыми при высокоточной селективной сборке. В связи с этим при применении метода групповой взаимозаменяемости, несмотря на сравнительно широкие допуски составляющих размеров, необходимо ужесточить допуски на погрешности геометрической формы и снизить шероховатость сопрягаемых поверхностей.
Метод групповой взаимозаменяемости позволяет значительно повысить точность сборки без существенного повышения требований к точности механической обработки деталей или расширить допуски на механическую обработку без снижения точности сборки. В ряде случаев сборки высокоточных соединений метод групповой взаимозаменяемости является практически единственно возможным.
Для осуществления нормальной и ритмичной сборки необходимо ее непрерывное обеспечение достаточным количеством собираемых деталей в каждой группе. В связи с этим организация селективной сборки реально осуществима только в условиях крупносерийного или массового производства. При этом практически важно, чтобы внутри каждой группы собираемых деталей на сборке было обеспечено одинаковое количество валов и отверстий. Это может быть достигнуто только при условии одинаковых законов распределения размеров комплектуемых деталей с симметричным распределением отклонений или с одинаковым направлением асимметрии. В противном случае на сборке скапливается большое число деталей разных групп, не комплектующихся друг с другом. Это хорошо иллюстрируется схемой селективной сборки валов и отверстий, имеющих одинаковые допуски при противоположном направлении асимметрии распределения отклонений (у вала + а, у отверстия —а), показанной на рис. 15.4. Такая асимметрия образуется довольно часто при достижении точности методом пробных ходов и примеров, когда рабочий обрабатывает заготовку сдо закусывания» проходного калибра.
Из рисунка видно, что при комплектовании группы № 2 количество валов (определяемое площадью с левой штриховкой) будет всегда меньше количества отверстий той же группы. И наоборот, в группе № 5 всегда будет избыток валов и недостаток отверстий.
15*	451
Это приводит к нарушениям ритма сборки и требует увеличения запасов деталей в сборочных цехах. Последнее увеличивает объем незавершенного производства и снижает оборачиваемость оборотных средств. Одинаковые законы распределения отклонений размеров собираемых деталей при групповой взаимозаменяемости должны обеспечиваться соответствующим построением технологических операций и организацией технического контроля. Необходимость точных измерений при сортировке деталей на группы усложняет контрольные операции, а необходимость четкой организации хранения и учета деталей по группам усложняет работу планово-диспетчерской службы.
Однако перечисленные трудности организации селективной сборки вполне оправдываются в массовом и крупносерийном производствах при сборке особо точных соединений, не осуществимой методами полной или неполной взаимозаменяемости.
МЕТОДЫ ПРИГОНКИ И РЕГУЛИРОВАНИЯ
При расчете размерных цепей с учетом метода пригонки требуемая точность замыкающего звена достигается изменением компенсирующего звена путем удаления с компенсатора определенного слоя материала (точением, шлифованием, шабрением или припиловкой (рис. 15.5).
При расчете размерных цепей с учетом метода регулирования требуемая точность замыкающего звена достигается изменением размера или положения компенсирующего звена без удаления с компенсатора материала (рис. 15.6).
При использовании методов пригонки или регулирования в конструкцию изделия вводится специальная деталь — компенсатор, размеры которого могут изменяться при сборке в необходимых пределах путем удаления определенного слоя материала соответствующей механической пригонкой и положение сопряженных поверхностей которого может также регулироваться при сборке за счет его конструкции (винтовая пара, клин, набор прокладок, зазор в сопряжении типа вал—отверстие) или перемещения (передвижные втулки и т. п.).
При применении обоих методов собираемые детали изготовляются по расширенным, экономически достижимым производственным допускам, однако при сборке расходуется дополнительное время на пригонку или регулирование размеров замыкающего звена для обеспечения требуемой точности изделия. При этом в процессе пригонки часто приходится проводить предварительную сборку, проверку правильности положения сопрягаемых деталей и определять степень необходимой пригонки компенсирующего звена и затем уже осуществлять подгонку компенсатора. Только после этого осуществляется окончательная сборка. Все это существенно повышает трудоемкость сборки и затрудняет ее перевод на поточные методы. Операция пригонки выполняется рабочими очень высокой квалификации. Применение пригонки характерно для единичного и мелко-452
серийного производств и часто используется в крупном машиностроении.
При проведении регулирования необходимость повторной сборки отпадает и трудоемкость сборки снижается. При этом создаются более благоприятные условия для организации поточной сборки, однако создание специальных деталей — компенсаторов — несколько усложняет конструкцию изделия. Метод регулирования характерен для мелкосерийного и серийного типов прсизводства.
Рнс. 15.5
Сборка с применением пригонки (компенсатор, т. е. прокладная шайба /, шлифуется, подре.ается или Прнпнлнвается по толщине <по месту* для компенсации погрешности)
Рнс. 15.6
Сборка с применением подвижных компенсаторов: а — компенсатор-тяга; б — установочное кольцо со стопорным винтом; а — клиновое устройство; г — разрезная конусная втулка; д — эластичный материал
Величина необходимой наибольшей возможной компенсации отклонений замыкающего звена Дк в обоих случаях определяется формулой
ДК = ТД6-ТЛО,	(15.12)
где ТА0 — допуск замыкающего звена, требуемый конструкцией изделия; ТА'а — производственный допуск замыкающего звена, определенный в зависимости от числа звеньев (щ — 1) по формуле (5.3) или по формулам (5.16) и (5.18), т. е. по установленным расширенным, экономически достижимым производственным допускам составляющих звеньев (точнее — фактическое поле рассеяния отклонений
453
т. n.j. в последнем случае минимальное
РИС. 15.7
Сборка корпусов подшипников с применением твердеющей пластмассовой прослойки, компенсирующей колебание положения центров отверстий по высоте
замыкающего звена при производственных допусках составляющих звеньев).
Номинальный размер компенсирующего звена увеличивается на величину компенсации Дн для уменьшающих звеньев (например, диаметров валов) и уменьшается на эту величину для увеличивающих звеньев (например, диаметров отверстия и т. п.).
При применении метода регулирования величина наибольшей возможной компенсации Дн определяет границы требуемых перемещений подвижного или наибольший размер неподвижного компенсатора (суммарную толщину промежуточных колец, прокладок и : число ступеней размеров неподвижных компенсаторов (прокладок) может быть определено по формуле
N = Дк/(7'А о	7к0МГ1),
(15.13)
где Тктлп — допуск на изготовление неподвижного компенсатора.
Толщина неподвижных компенсаторов(прокладок) должна быть равна или меньше допуска замыкающего звена размерной цепи. При жестком допуске замыкающего звена и невозможности обеспечить его прокладкой соответствующей толщины применяют наборы прокладок разных толщин, используя разницу их толщин.
Метод регулирования дает возможность наибольшего расширения допусков составляющих звеньев. Расширение допусков при применении метода пригонки, увеличивая Дк, согласно формуле (15.12) приводит к увеличению припуска на пригонку, соответственно повышая ее трудоемкость. В противоположность этому (при методе регулирования) увеличение Дк не вызывает дополнительных трудностей и не повышает трудоемкости операции. Очень большим достоинством метода регулирования является возможность поддержания точности замыкающего звена в процессе эксплуатации изделия путем компенсации износа отдельных составляющих звеньев размерной цепи.
Интересной разновидностью метода компенсации погрешностей является современный способ сборки плоскостных соединений с применением пластмассовой прослойки (рис. 15.7). Пластмасса в вязком состоянии при сборке помещается между соприкасающимися поверхностями и, затвердевая, устраняет зазор, образующийся в связи с колебаниями линейных размеров.
454
Пригонка
Рис. 15.8
Узел редуктора
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНОГО МЕТОДА РАСЧЕТА РАЗМЕРНЫХ ЦЕПЕЙ
Для выбора наиболее подходящего в данных случаях метода расчета размерных цепей соблюдается приведенная ниже последовательность расчета.
1. Определяются значения Лср и Тср по формулам:
Лср = при (/и — 1)сЗ;
*"(«-|)-и.
2. По полученным значениям Лер и Тср определяется средний квалитет точности.
Расчет на максимум и минимум может быть принят для размерной цепи с (т — 1) <: 3, если средний квалитет соответствует 9-му и грубее.
Вероятностный расчет может быть принят для размерной цепи с (т — 1) с 3, если средний квалитет соответствует 10-му и грубее.
При получении средних значений квалитетов соответственно ниже 9-го или 10-го должен быть применен один из методов компенсации погрешностей замыкающего звена путем пригонки или регулирования.
Пример 15.1. Определить исполнительные размеры толщины Вв компенсирующего кольца узла редуктора (рис. 15.8) при его механической обработке, обеспечивающие возможность пригоикн кольца при сборке, гарантирующей возможность достижения зазора между компенсирующим и упорным кольцами в пределах 0,05-ь0,15 мм.
Исходные данные: В = 0,05-5-0,15 мм; Bi — 2 ± 0,05 мм; В3 = 112 ±0,11 мм; В3 — 23-о io мм; В4 = 60-одо мм; Bs = 23-одз мм.
В соответствии с условиями задачи принимаем в качестве номинального размера замыкающего звена: Вд = 0,05 мм; То= 0,1 мм; ES = Ао = +0,15 мм.
Решение. Номинальный размер толщины В, компенсирующего кольца после его пригонки согласно формуле (5.1) равен: Въ = Bt — В1 — В3 — В4 — Bs — — В = 112 — 2 — 23 — 60 — 23 — 0,05 = 3,95 мм. В качестве экономически достижимого допуска размера Вв может быть принят допуск по 10-му квалитету СТ СЭВ (обработка плоским шлифованием), т. е. ТВ6 = 0,048 мм. Поле рассеяния <н0 размеров замыкающего звена при использовании указанных экономически дсстижимых производственных допусков составляющих размеров рассчитываемой размерной цепи согласно формуле (5.18) определяется выражением
/т—।_________________________________________________
2 TAt = 1,2 К0,I2 + 0,222 + 0,132 + 0,192 + 0,13s + 0,0482 =
— 0,4337 мм.
Величина требуемой компенсации согласно формуле (15.12) равна Дк = <о0— — ТА0 = 0,43 — o;i = 0,33 мм.
453
Номинальный размер толщины компенсирующего кольца после его механической обработки (до пригонки) В"ех = В + Дк = 3,95 + 0,33 — 4,28 мм. Исполнительный размер толщины компенсирующего кольца после его механической обработки Вв = 4,3-о)О4в мм, т. е. 4,ЗЛИ.
$ /5.3
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ СБОРНИ
СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА СБОРКИ
Технологическая подготовка сборочного производства состоит из разработки технологических процессов, проектирования и изготовления специальной оснастки, нестандартного оборудования, выполнения необходимых расчетов, планировок и других работ. Основной и наиболее важной частью технологической подготовки сборочного производства является проектирование технологического процесса сборки.
Технологический процесс сборки представляет собой часть производственного процесса, непосредственно связанную с последовательным соединением, взаимной ориентировкой и фиксацией деталей и узлов, для получения готового изделия, удовлетворяющего установленным требованиям.
В состав технологического процесса сборки в качестве технологических операций или переходов включаются разнообразные сборочные работы, например: соединение сопрягаемых деталей посредством приведения в соприкосновение их сборочных баз; проверка точности взаимного расположения собираемых деталей и узлов и внесение, если это необходимо, соответствующих исправлений путем регулировки, пригонки или подбора; фиксация положения деталей и узлов, обеспечивающего правильность выполнения ими целевого назначения при работе машины. К технологическому процессу сборки относятся также операции, связанные с проверкой правильности действия отдельных механизмов и узлов и машины в целом (точность, плавность движений, бесшумность, надежность функционирования смазочной системы и т. п.). Сюда же относятся все необходимые по содержанию работы операции по очистке, промывке, окраске и отделке изделия или составляющих его сборочных соединений и деталей. В табл. 15.4 приводятся данные о соотношении трудоемкости различных видов сборочных работ.
Технологическая операция сборки представляет собой законченную часть этого процесса, выполняемую непрерывно над одной сборочной единицей или над совокупностью одновременно собираемых единиц (узлов, деталей), одним или группой (бригадой) рабочих на одном рабочем месте. Сборочная операция — это технологическая операция установки и образования соединений составных частей заготовки или изделия.
Так же, как и при механической обработке, сборочная операция является важной единицей производственного планирования, однако следует иметь в виду, что при некоторых организационных 456
Таблица 15.4
Виды работ, входящих в процесс сборки
Вид работ	Краткая характеристика	Удельный вес в общей трудоемкости сборки, %	
		в мелкосерийном производстве	в массовом про» извод-стве
Подготовительные	Работы по приведению деталей, а также покупных изделий в состояние, требуемое условиями сборки: деконсервирование, мойка, сортирование на размерные группы, укладка в тару и др.	5—7	8-10
Пригоночные	Работы, связанные с обеспечением собираемости соединений и технических требований к ним: опиливание и зачистка, притирка, полирование, шабрение, сверление, развертывание, правка	20—25	—
Собственно сборочные	Работы по соединению двух или большего числа деталей с целью получения сборочных единиц и изделий основного производства: свинчиванием, запрессовыванием, клепкой и др.	44—47	70-75
Регулировочные	Работы, проводимые в процессе сборки или после ее окончания с целью достижения требуемой точности во взаиморасположении деталей в сборочных единицах и изделии	7—9	6-7
Контрольные	Работы, выполняемые в процессе сборки и после ее окончания с целью проверки соответствия сборочных единиц и изделий параметрам, установленным чертежом и техническими условиями на сборку	10—12	8—10
Демонтажные	Работы по частичной разборке собираемого изделия с целью подготовки его к упаковке и транспортированию к потребителю	6-8	3-4
формах сборки (в частности, при стационарной однобригадной сборке) сборочный процесс может в явной форме на операции и не расчленяться.
Переход сборочного процесса — это законченная часть операции сборки, выполняемая над определенным участком сборочного соединения (узла) неизменным методом выполнения работы при использовании одних и тех же инструментов и приспособлений.
Приемом (элементом) сборочного процесса называется отдельное законченное действие рабочего в процессе сборки или подготовки к сборке изделия или узла.
457
Пример построения сборочной операции из отдельных переходов. Операция: установить заднюю бабку токарного станка. Переходы: 1) установить бабку на станину и закрепить; 2) проверить правильность положения бабки в двух взаимно перпендикулярных плоскостях (по калиброванной контрольной оправке, закрепленной в центрах с помощью двух индикаторов, которые укреплены в суппорте); 3) пригнать бабку по высоте (пришабриванием мостика); 4) отрегулировать положение бабки в горизонтальной плоскости путем ее перемещения в поперечном направлении (подвижный компенсатор).
Содержание операций и переходов технологического процесса сборки определяется конструкцией изделия, совершенством технологии механической обработки деталей, организационно-техническими условиями сборочного производства и размерами программного задания. Одной из важных задач разработки технологического процесса сборки является выбор степени его дифференциации.
Концентрированный процесс сборки характерен для опытного, единичного и частично мелкосерийного производств. В этом случае все операции узловой и общей сборки выполняются на немногих или даже на одном рабочем месте (несколькими сборщиками или одним). Если изделие включает типовые сборочные элементы, то узловая сборка дифференцируется, а общая сборка ведется концентрированно.
Недостатками концентрированной сборки являются длительность календарного цикла вследствие последовательного выполнения операций; невозможность обособления отдельных работ, не требующих привлечения для их выполнения высококвалифицированных сборщиков-универсалов, и трудность механизации, и тем более автоматизации нерасчлененных операций.
Дифференциация технологических процессов сборки характерна для устойчивого мелкосерийного, а также для серийного и массового производств. Дифференциация процесса сборки дает возможность расчленить его на операции, продолжительность выполнения которых равна или кратна установленному такту Сборки, обеспечивает в ряде случаев однородные по квалификации и по разряду работы в пределах операции и создает предпосылки для механизации и автоматизации ручных процессов и организации поточной и автоматической сборки.
Дифференциация процесса сборки в определенных пределах обычно бывает выгодной. Только благодаря расчленению процесса на операции и рациональному распределению их по рабочим местам можно сократить трудоемкость сборки на 15—20 %. Степень дифференциации зависит не только от объема производства, но и от конструкции изделия, его габаритных размеров, числа деталей [6]. При сборке в одном цехе достаточно большой номенклатуры изделий в сравнительно небольших количествах, при удачном комбинирований операций узловой и общей сборки возможна организация многопредметных непрерывно-поточных линий.
Однако следует отметить, что излишняя степень дифференциации процесса сборки ведет к снижению производительности процесса вследствие неоправданных потерь времени на установку и снятие 458
собираемого элемента (растет доля вспомогательного времени в общей трудоемкости сборки), а также вследствие повышенной утомляемости рабочего при выполнении мелких однообразных операций. При высоком уровне механизации на отдельных участках часто может быть выгодна также и концентрация операций, так как в определенных условиях при этом возможны сокращение цикла сборки, уменьшение протяженности сборочных линий, снижение потребности в производственных площадях и улучшение других технико-экономических показателей сборочного процесса [6]. В связи с этим в каждом случае при проектировании технологического процесса должна быть найдена наивыгоднейшая степень дифференциации сборки.
Технологический процесс сборки обычно разрабатывается в последовательности, этапы которой приведены ниже.
1.	В зависимости от программного задания устанавливается целесообразная организационная форма сборки, определяются ее такт и ритм.
2.	Производится технологический анализ сборочных чертежей и рабочих чертежей деталей с позиций отработки технологичности конструкций.
3.	Производится размерный анализ конструкций собираемых изделий с выполнением соответствующих размерных расчетов и устанавливаются рациональные методы обеспечения требуемой точности сборки. Определяются вероятное количество деталей и узлов, непригодных для взаимозаменяемой сборки (при сборке по методу неполной взаимозаменяемости), размеры регулирования и пригонки.
4.	Определяется целесообразная в данных условиях производства степень дифференциации проектируемого процесса сборки.
5.	Устанавливается последовательность соединения всех сборочных единиц и деталей изделия и составляются схемы общей сборки и узловых сборок изделия.
б.	Определяются наиболее производительные, экономичные и технически целесообразные способы соединения, проверки положений и фиксации всех составляющих изделие сборочных единиц и деталей. Составляется содержание технологических операций сборки и задаются методы контроля и окончательных испытаний изделия.
7.	Разрабатывается необходимая для выполнения технологического процесса технологическая оснастка (приспособления, режущий, монтажный, контрольно-измерительный инструмент и оборудование).
8.	Производится техническое нормирование сборочных работ и рассчитываются экономические показатели процесса сборки.
9.	Оформляется техническая документация процесса сборки.
АНАЛИЗ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ
ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА СВОРКИ
Исходными данными для разработки технологического процесса сборки являются: 1) программа выпуска изделий и условия осуществления технологического процесса; 2) сборочные чертежи изделия, узлов; каталоги и спецификации деталей, входящих в изделие;
459
3) технические условия сборки и испытания изделия; 4) рабочие чертежи деталей, входящих в изделие; 5) объем кооперирования; 6) каталоги и справочники по сборочному оборудованию и технологической оснастке; 7) образец собираемого изделия (в серийном и массовом производствах); 8) данные о сборочном производстве, где предполагается изготовить изделие (для действующего предприятия).
Разработка технологического процесса сборки производится с учетом основных правил, изложенных в ГОСТ 14.307—73, и включает в себя комплекс взаимосвязанных работ, осуществляемых в приведенном ниже порядке.
1.	Определение серийности и организационной формы сборки. В зависимости от размера программного задания и ориентировочной трудоемкости, пользуясь схемой (рис. 15.9), можно определить серийность и форму организации будущего производства. Ориентировочно трудоемкость сборки машины можно определить методом сравнения с трудоемкостью сборки аналогичных машин.
2.	Технологический анализ сборочных чертежей. Сборочные чертежи должны содержать все сведения, необходимые для сборки, в частности: все необходимые проекции и разрезы; номера и спецификации всех деталей и узлов; размеры, выдерживаемые при сборке (остальные размеры в сборочных чертежах не указываются); зазоры в соединениях, которые должны быть обеспечены при сборке; массу изделия; технические условия сборки отдельных узлов и всего изделия в целом.
На данном этапе анализируются конструкции сборочных единиц с точки зрения их технологичности. Под технологичностью конструкции изделия понимается совокупность свойств конструкции изделия, проявляемых в возможности оптимальных затрат труда, средств, материалов и времени при технической подготовке производства, изготовлении, эксплуатации и ремонте по сравнению с соответствующими показателями однотипных конструкций изделий того же назначения при обеспечении установленных значений показателей качества и принятых условиях изготовления, эксплуатации и ремонта. К условиям изготовления или ремонта изделия относятся тип, специализация и организация производства, годовая программа и повторяемость выпуска, а также применяемые технологические процессы.
Особое внимание на стадии технологической подготовки производства следует уделить производственной технологичности конструкции, т. е. технологичности конструкции изделия, определяемой применительно к его изготовлению. Правила обеспечения технологичности конструкции сборочных единиц установлены ГОСТ 14.203—73 и предусматривают нижеследующие требования к оформлению конструкции: возможность сборки машин из обособленных сборочных единиц без повторной разборки, максимальное применение стандартных и унифицированных сборочных единиц и деталей, сокращение объема пригоночных работ, возможность снижения трудоемкости, сокращение длительности цикла узловой и общей сборки и снижение 460
Массовое	1. Объем выпуска изделий	Среднемесячный выпуск изделицшт.	1	1	I Св. 1500 I	С в.3000 |	| 00S6 -go \	Св. 6000 I	2. Номенклатура	Постоянна	3. Организационная форма	Подвижная поточная сборка с расчленением процесса на операции и передачей собираемого объекта от одной позиции кдру-' гой посредством меха* нических транспортирующих устройств; такт сборки строго регламентирован
		Трудоемкость сборни изделия, ч	Св. 2500 \	1 oosz-osz 1	| 25-250 I	| 2,5-25	| s‘z-gz‘o |	I До 0,25 I				
Крупносерийное	1. Объем выписка изделии	Среднемесячный выпуск изделищип.	I	§ 8	| 351-15001	I §	Bl SI	юйвшп. пппп.nnntI	Состоит из изделий, выпускаемых крупными партиями или сериями, систематически повторяющимися	3. Организационная форма	Подвижная поточная сборка с расчленением проц есса на операции и передачей сооирае-_ мого обьектаотоднои позиции к другой посредством механических транспортирующих устройств
		Трудоемкость сборки изделий, ч	| Св. 2500	| 250-2500	OSZ-SZ |	I о?	0,25-2,5 Пн п ос:	| 2. Номенкл			
1	списка ий	Среднемесячный выпуск изделий, шт.	S'9O 1	| 9—60 '	| 31-350	( 51—600 I	I 008-19	1	1	Состоит из изделий, выпускаемых партиями или сериями, повторяющимися через-определениые промежутки времени	3. Организационная форма	Стационарная и подвижная поточная сборка с расчленением работ и регламентированным тактом их выполнения при большом оперативном времени	
	1. Объем 6i издел	Трудоемкость сборки изделия, ч	I Св. 2500 |	\009Z-09Z |	I 0SZ—9Z |	I 2,5-25 |	1 0,25-2,5 |	1 До 0,25 |	£ 1 СМ				-
													
		§								1 =s t ,		1	1 1	
1 I аг	выпуска злии	Средне месячнь выпуск изделии,	<т-г |	ff-Г	| 8-30	09-6	До 80	1		Состоит из издели выпускаемых мел кими партиями ил сериями, система тически не повторяющимися	3. Организационная форма	Стационарная не поточная сборка без расчленения ра бот и с расчленены ем	
1	1. Объем । u-sdt	Трудоемкость сборки изделия, ч	§ см 'xS	| 250~2500\	\osz-sz ]	I 5Z-S‘l |	I 0,25-2,5 1	I До 0,25 I	2. Номенк.				
| Единичное	1. Объем выпуска изделии	I Средне- ।	месячный выпуск изделий,шт.	1 Д°1 1	ДоЗ I	gov	со ч	1	1	2. Номенклатура	Различна	3. Организационная форма	Стационарная непоточная сборка дез расчленения процесса
		। 1 £	кость сдорки изделия, ч	1 Св. 2500 |	I OOSZ-OSZ |	1 1 см	I SZ-S‘Z |	1 s'z-sz'o I	| До 0,25 I				
461
Таблица 15.5
Требования к производственной технологичности изделия и сборочной единице
Содержи и е требования	Программа выпуска станков в год, шт.					Примечете
	до 10	св. 10 до 100	св. 100 до 1000	се. 1000 до 10 000	св. 10 000	
Масса л габаритные размеры изделия я его составных частей должны соответствовать возможностям завода-изготовителя по ^зосюдъемно-сти кранов, транспортным средствам, производственным площадям	4-	+	4-	Ж*	(+)*	(4-)х — требование сни- мается при организации новых производств
Изделие должно быть выполнено с учетом возможностж его размещения на сборочных площадях без заглублений пола для отдельных агрегатов или деталей	+	4*	+	—	—	
Изделие должно быть выполнено по рациональной схеме с минимальным числом входящих узлов и деталей (при полном обеспечении заданных функций)	+	+	4-	+	+	—
Компоновка изделия должна быть выполнена с учетом максимального сокращения цикла работ на общем монтаже (у изготовителя и заказчика)	—	—	—	+	4-	—-
Изделие должно расчленяться на отдельные сборочные единицы с одинаковой или кратной трудоемкостью сборочных работ (для организации параллельных сборочных потоков)	—	—	—	(+)	4-	—
Каждая сборочная единица должна расчленяться на рациональное число составных частей с учетом принципа агрегатирования	—	—	+	+	+	
462
Продолжение табл, 15.5
Содержание требования	Программа выпуска станков в год, шт.					Примечание
	до ГО	о о я о О и	св. 100 до 1000	св. 1000 до 10 000	св. ГО ООО	
Компоновка сборочной единицы должна обеспечить общую сборку без промежуточной разборки и повторных сборок составных частей	—	—	+	+	+	—
Компоновка составных частей сборочной единицы должна обеспечивать удобный доступ к местам сборки, регулировки, контроля	+	+	+	4-	+	—
Объем ручных работ на сборке, связанных с выверкой, пригонкой, присверлов-кой, должен быть сведен к минимуму	—*	—*	+	+	+	—* ,
Сборка изделия и его составляющих должна выполняться без применения сложного технологического оснащения	+	+	+	—	—	—
Количество поверхностей соединений сопряженных деталей должно быть минимальным (за исключением соединений типа направляющих, от которых зависит качество изделия)	+	+	+	4-	4-	—
Места соединений составных частей должны быть доступны для финишной механической обработки к механизации сборочных (пригоночных) работ	(+)х	(+)*	(+)х			(44 х — требование ис- ключается при отсутствии соответствующих оборудования или оснастки
Конструкции соединений составных частей ие должны требовать дополнительной механической	обработки при сборке	—		+	+	4*	—
463
Продолжение табл, 15.5
Содержание требования	Программа выпуска станков в год, шт.					Примечание
	до 10	св. 10 до 100	св. 100 до 1000	св. 1000 до 10 000	св. 1j 000	
Выбор типа соединений должен исключать возможность повреждения деталей в процессе сборки и демонтажа	+	4-	4-	4-	4-	—
Точность расположения составных частей должна быть обоснована и взаимосвязана с точностью изготовления всего изделия	(+)	(+)	4-	4-	4-	—
В конструкции должны быть предусмотрены устройства, обеспечивающие заданную точность расположения составных частей (центрирующие, компенсирующие, регулирующие и др.)	+	4-	+	4-	(4-)х	(+) х — с ограничением в части использования компенсирующих устройств
Компенсирующие устройства должны иметь простую конструкцию и свободный доступ для контрольного инструмента	+	+	+	(4-)х	(4-)х	(4-) х — допускается применение специальной оснастки при затрудненном доступе
ее себестоимости. Кроме того, конструкцией должны предусматриваться места для удобного и надежного захвата сборочных соединений и тяжелых деталей грузоподъемными устройствами, а также возможность удобного подвода механизированного сборочного инструмента.
В табл. 15.5 приведены примеры требований к производственной технологичности изделия и сборочной единицы применительно к станкостроительной промышленности с учетом объема выпуска изделий.
УСТАНОВЛЕНИЕ
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ И СОДЕРЖАНИЯ СБОРОЧНЫХ ОПЕРАЦИЙ И СОСТАВЛЕНИЕ СХЕМ СБОРКИ
После тщательного изучения конструкции и работы как всей машины, так и отдельных ее агрегатов и сборочных единиц, анализа технических условий на их изготовление и сборку на основе знания условий 464
конкретного производства приступают к разбивке изделия на составные части. При выполнении этой работы целесообразно исходить из следующих принципов:
сборочная единица не должна расчленяться как в процессе сборки, так и в процессе дальнейшей транспортировки и монтажа;
габаритные размеры сборочных единиц должны устанавливаться исходя из необходимости обеспечения возможности их сборки и с учетом наличия технических средств их транспортировки;
сборочным операциям должны предшествовать подготовительные и пригоночные работы, связанные срезанием металла, которые сводятся в отдельные операции и должны производиться на специальном рабочем месте или даже в механическом цехе на станках;
сборочная единица не должна состоять из большого числа деталей и сопряжений; в то же время излишнее «дробление» машины на-сборочные единицы нерационально, так как это усложняет процесс комплектования при сборке, создает дополнительные трудности в организации сборочных работ;
большинство деталей машин должно войти в те или иные сборочные единицы с тем, чтобы сократить число отдельных деталей, подаваемых непосредственно на сборку; исключение составляют базовые детали, а также некоторые детали крепления;
изделие следует расчленить таким образом, чтобы конструктивные условия позволяли осуществлять сборку наибольшего числа сборочных единиц независимо одну от другой и без ущерба для эксплуатации машины; такое расчленение обеспечит и лучшую ремонтопригодность изделий.
Трудоемкость сборки большинства сборочных единицдолжна быть приблизительно одинакова.
Последовательность сборки в основном определяется конструкцией изделия, компоновкой деталей и методами достижения требуемой точности и может быть представлена в виде технологической схемы сборки, являющейся условным изображением порядка комплектования изделия и узлов при сборке. Схемы сборки позволяют наглядно представить весь технологический процесс, проверить правильность намеченной последовательности операций. На этих схемах каждый элемент изделия обозначен прямоугольником, в котором указываются наименование составной части, ее индекс и количество (рис. 15.10, а).
Деталь (или ранее собранная сборочная единица), с которой начинают сборку изделия, присоединяя к ней другие детали или сборочные единицы, называется базовой деталью (или базовой сборочной единицей). Процесс сборки изображается на схеме горизонтальной линией в направлении от прямоугольника с изображением базовой составной части до прямоугольника, изображающего готовое изделие (или сборочную единицу). Выше горизонтальной линии показываются в порядке последовательности сборки прямоугольники, условно обозначающие детали, а ниже — прямоугольники, условно изображающие сборочные единицы. Для каждой сборочной
465
единицы первого и более высоких порядков могут быть построены аналогичные схемы (рис. 15.10, б—г).
На рис. 15.11, а показана конструкция редуктора поперечного перемещения и на рис. 15.11, б — конструкция поворота стола горизонтального обрабатывающего центра модели 2204ВМФ2. На рис. 15.12, а представлена технологическая схема общей сборки этого станка, а на рис. 15.12, б, в изображены соответственно технологические схемы сборки узла редуктора поперечного перемещения и
Рис. 15.10
Технологические схемы сборки изделия (а) и сборочных единиц более высоких порядков «X—г>
ской схемя сборки таких изделий
поворота стола (сборочное соединение 1-го порядка) и вала 41114 в сборе (сборочное соединение 2-го порядка). Как видно из схемы, в состав узла вала 41114 в сборе входит узел 3-го порядка — втулка 41019 в сборке (с двумя подшипниками).
Технологическая схема сборки является основой для проектирования технологического процесса сборки. При сборке сложного изделия иногда бывает целесообразно сначала разработать общую схему сборки изделия и после этого — схемы узловых сборок (т. е. сборки соединений 1-го, 2-го и более высоких порядков). Учитывая, что некоторые крупные
изделия транспортируются к заказчику в разобранном виде, при разработке технологиче-одновременно составляется и
схема их демонтажа.
После разработки схем сборки устанавливается состав необходимых сборочных, регулировочных, пригоночных, подготовительных и контрольных работ и определяется содержание технологических операций и переходов.
В условиях единичного производства ограничиваются разработкой маршрутных технологических карт и в работе в значительной мере руководствуются технологическими схемами сборки.
Сборка выполняется высококвалифицированными рабочими, которые сами выбирают приемы сборочных работ, пользуясь чертежом изделия. При этом широко применяются пригоночные работы. В тяжелом машиностроении при единичном производстве основными технологическими документами часто служат схемы общей сборки изделия и схемы узловых сборок, в которых указываются: трудоемкость работы, вид оснастки, цех, из которого поступают детали, и т. п. При этом на выполнение отдельных ответственных операций
466
(запрессовка крупных деталей, испытания и т. п.) составляются типовые инструкции. В работе широко используются универсальное сборочное оборудование и инструменты. В серийном производстве разрабатываются маршрутно-операционные и операционные технологические карты и при необходимости выпускаются технологические инструкции, комплектовочные карты, ведомость оснастки и другие документы.
Процесс сборки расчленяется на общую сборку и сборку узлов, а также на технологические операции и переходы, а в крупносерийном производстве — и на приемы. Доля пригоночных работ сокращается за счет широкого применения регулировки размеров с помощью разнообразных компенсаторов, а в крупносерийном производстве — применения селективной сборки и методов неполной взаимозаменяемости.
При формировании технологической операции в ее состав по возможности включаются однородные работы, что способствует специализации сборщиков и повышению производительности их труда. В целях синхронизации операций, необходимой для организации поточной сборки и крайне желательной при всех формах ее организации, состав технологической операции устанавливается с учетом трудоемкости отдельных элементов сборочных работ. При трудоемкости операции, превышающей установленный такт сборки, операция дополнительно расчленяется и из ее состава выделяются отдельные переходы н переносятся в другие операции, имеющие трудоемкость меньше такта сборки.
Пригоночные работы, испытания и контроль выделяются в отдельные операции сборки. При этом особое внимание должно быть уделено анализу возможности и целесообразности перенесения максимального количества подготовительных и пригоночных работ в механические цехи или измерительные лаборатории, где подобные работы могут быть выполнены на станках и точных установках более производительно и качественно (например, плоское шлифование компенсирующих шайб и прокладок на требуемый размер компенсации, рассортировка деталей по размерам сборочных групп и раскладка их по соответствующим ящикам и т. п.).
Механизация слесарно-сборочных работ является важнейшей проблемой ироектирования технологических процессов сборки, которой должно быть уделено особое внимание. Ранее указывалось, что в различных отраслях машино- и приборостроения доля сборочных работ составляет 20—45 % от общей трудоемкости изготовления изделия: при этом основную часть сборочных работ составляют ручные работы. Из табл. 15.6 следует, что на долю ручных работ приходится более половины, а в тяжелом машиностроении — до 85 % этих работ от всей трудоемкости сборки. В связи с этим одним из основных направлений совершенствования технологии сборки является проведение широкой мехайизации сборочных работ путем применения разнообразных сборочных приспособлений и стендов, а также механизированных универсальных, унифицированных и специальных сборочных инструментов.
467
По своему назначению ручной механизированный инструмент
подразделяется на группы: для резки материалов и подготовки кромок под сварку, сверлильный, резьбонарезной, шлифовально-полировальный и зачистной, гайко-винтозавертывающий, специальный
Таблица 15.6
Структура сборочных работ в различных отраслях машиностроения (в % от общего объема сборочных работ)
Отрасль машиностроения	Механизированные работы	Ручные работы
Тяжелое машиностроение	15—20	80-85
Станкостроение	22—25	75-78
Автомобилестроение	50-55	45-50
Тракторное и сельскохозяйственное машиностроение	40-50	50-60
Электромашиностроение	25-30	70-75
инструмент (притирочный, шабровочный и т. п.). Ручной механизированный инструмент по роду используемой энергии может быть электрическим, пневматическим, гидравлическим. Наибольшее распространение получил электрический и пневматический механизированный инструмент.
Электрофицированные инструменты. разделяются на два типа: с вращательным движением рабочего органа (электродрели, резьбонаре-
затели, шлифовальные машинки, электрогайковерты, полировальные машинки, электро-шпильковерты, которые бывают одно- и многошпиндельными); с воз-
вратно-поступательным движением рабочего органа (электронапильники, электромолотки).
Пневматические инструменты разделяются на три типа: с вращательным движением рабочего органа (сверлильные машины, гайковерты, механические отвертки); ударного действия (молотки); давящего действия (поддержки).
470
Рис. 15.12
Технологические схемы сборки станка 2204ВМФ2: а — схема общей сборки станка; 0 — схема сборки редуктора поперечного перемещения и поворота сгола; « — схема сборки кала 41114
Сборочные приспособления по типу привода подразделяют на механические, гидравлические, пневматические и пневмогидравлические.
В зависимости от назначения приспособления можно разделить на следующие основные группы: приспособления-зажимы, которые служат для закрепления собираемых изделий, узлов или деталей в требуемом для сборки положении, а также для придания устойчивости собираемому узлу и облегчения его сборки; приспособления установочные, предназначенные для правильной и точной установки
471
соединяемых деталей или узлов относительно друг друга, что гарантирует получение требуемых монтажных размеров; приспособления рабочие, используемые при выполнении отдельных операций технологического процесса сборки (например, вальцевания, запрессовки, постановки и снятия пружин и т. д.).
Весьма эффективным путем сокращения времени технологической подготовки производства является применение технологической оснастки, созданной на основе агрегатирования сборочного оборудования. Пользуясь этим принципом, из сравнительно ограниченного числа деталей и сборочных единиц удается создавать самые разнообразные сборочные приспособления.
СБОРОЧНЫЕ РАБОТЫ В КРУПНОМ МАШИНОСТРОЕНИИ [16]
Сборка крупных и тяжелых машин обычно производится в условиях единичного и мелкосерийного, а в редких случаях — серийного производства и связана с рядом особенностей. Достижение высокой точности обработки ответственных крупных и тяжелых деталей, требуемой от них при сборке по принципу полной взаимозаменяемости, на современном уровне технического развития предприятий крупного машиностроения при существующем у них станочном оборудовании во многих случаях экономически нецелесообразно. В связи с этим в отраслях машиностроения, связанных с производством крупных, мощных и точных машин, основными методами достижения требуемой высокой точности являются методы пригонки и регулирования размеров с применением разнообразных компенсаторов при отказе от повсеместного использования принципа взаимозаменяемости.
Применяются подвижные и неподвижные компенсаторы. К неподвижным относятся: регулировочные кольца, прокладки, шайбы, втулки и др.; к подвижным — клинья, эластичные или пружинные муфты, регулировочные гайки, стопорные винты и т. п.
Метод применения компенсаторов не требует соблюдения высокой точности размеров, получаемых при механической обработке отдельных деталей; обеспечивает высокую точность замыкающего звена независимо от общего числа звеньев размерной цепи; позволяет поддерживать достигнутую точность при эксплуатации. Недостатком метода является увеличение номенклатуры изготовляемых деталей.
В турбостроении широко применяется сборка, при которой взаимное расположение сборочных единиц достигается на основе применения проверочных технологических баз с выверкой по поверхностям и другим элементам конструкции деталей, принадлежащим собираемым сборочным единицам. Ориентация сборочных единиц достигается предварительной установкой компенсаторов либо их установкой после выверки. При сборке подшипников, например, положение опорных вкладышей регулируется установкой компенсаторов между гнездом в корпусе и подушкой вкладыша или обоймы. Но имеет место и подгонка части включенных в конструкцию компенсаторов путем слесарной или механической обработки. В таких случаях
472
метод сборки с применением компенсаторов объединен с методом пригонки.
Положительной особенностью метода пригонки является высокая точность, достигаемая при сборке многозвенных сборочных единиц. Однако этот метод имеет очень существенные недостатки. Пригоночные работы трудоемки и слабо поддаются нормированию. Та часть из них, которая выполняется на металлорежущем оборудовании, как правило, расположенном вне отделения сборки, нарушает ритм и удлиняет цикл сборки. Для выполнения слесарной пригонки требуются рабочие высокой квалификации. При пригонке собираемые сборочные единицы загрязняются стружкой, абразивом, маслом, для удаления которых нередко требуется разборка, промывка и повторная сборка. Поэтому борьба за сокращение пригоночных работ является мерой, направленной на повышение производительности труда и сокращение тяжелых ручных работ,
В настоящее время в турбостроении широко распространен метод сборки с пригонкой по так называемым формулярам. Он подразделяется на две разновидности: при одной из них формуляр может быть составлен после обработки первой детали и ее измерения без промежуточной сборки, а при другой — указанная возможность исключается и для составления формуляра и измерения первой детали требуется промежуточная сборка.
Технологический процесс испытания собранного изделия или отдельных его сборочных единиц представляет собой комплекс работ, связанных с доведением характеристик этих сборочных единиц до значений, установленных техническими условиями.
Процессы, не подпадающие под определение процессов собственно сборочных работ и испытаний, являются дополнительными. Они подразделяются на слесарно-доделочные, пригоночные, связанные с промежуточной сборкой в целях совместной обработки, для замера при контроле, работу по демонтажу перед транспортированием и на некоторые другие.
Собственно сборочные процессы, связанные с испытанием, и различного рода дополнительные работы в совокупности составляют слесарно-сборочные работы. Они не сосредоточены исключительно в сборочных цехах или в отделениях сборки механо-сборочных цехов. Часть из них, особенно дополнительные работы, выполняются и между операциями механической и других видов обработки или в качестве перехода включаются в состав операции. Указанные работы производятся в отделениях механической обработки механосборочных цехов или в механических цехах. Все это естественно приводит к Повышению доли трудоемкости слесарно-сборочных работ в общей трудоемкости изделия и к увеличению объема пригоночных работ.
Структура трудоемкости по видам механосборочных работ хорошо ртлаженной в производстве и серийно выпускаемой мощной паровой турбины К-300-240 приведена в табл. 15.7.
Из таблицы видно, что общий объем слесарно-сборочных работ по данной турбине составляет одну треть от трудоемкости механи-
473
Таблица 15.7
Структура трудоемкости основных видов механосборочных работ по изготовлению паровой турбины К-300-240 [16]
	Трудоемкость		
		в % к общему объему работ	
Вид работ	в нормо-	механосборочных	слесарносборочных
	часах		
Механосборочные работы			
Механическая обработка	84 049	75	—
Слесарно-сборочные	28 173	25	—
Всего:	112 222	100	—
Слесарно-сборочные работы			
Собственно сборочные	11 418	—	40,6
Промежуточная сборка	8 627	—	30,6
Доделочные, пригоночные	3 921	—	13,9
Испытания	3 442	—	12,2
Демонтаж	765	—	2,7
Всего:	28 173	—	100
ческой обработки. При этом в общем объеме трудоемкости слесарносборочных работ только 40,6 % представляют собственно сборочные работы и 47,2 % работ (13 313 нормо-ч) являются дополнительными работами, связанными с промежуточной сборкой, доделочными и пригоночными работами и демонтажом.
Слесарно-сборочные работы в крупном машиностроении во многих случаях являются ручными. Например, в процессе сборки 44-х основных сборочных единиц турбины К-300-240 и при ее общей сборке пригоняются детали 123 наименований (общим числом 1319 шт.).
Основными частями доделочных работ по этой турбине являются! промежуточная сборка для определения размеров компенсаторов; сборка под совместную обработку; шабрение, связанное с растачиванием -корпусов цилиндров и подшипников и т. п., трудоемкость которых составляет 39 % от трудоемкости всех доделочных работ. Около 20 % трудоемкости доделочных работ составляет трудоемкость шабрения разъемов корпусов цилиндров, подшипников, диафрагм и других плоских поверхностей. Трудоемкость промежуточной сборки и подгонка компенсаторов, связанная с обработкой роторов, достигают 20 % от всех доделочных работ по этой турбине.
Уровень технологии сборочных работ при выпуске одной турбины принято оценивать по величине коэффициента относительной трудоемкости Ктр слесарно-сборочных работ, выражаемого отношением трудоемкости слесарно-сборочных работ в нормо-часах (включая и дополнительные работы) к общей трудоемкости механосборочного передела Тмсб в нормо-часах, т. е.
КТр = Т'сл.сб/Т'мсб*	(15.14)
474
Из табл. 15.7 следует, что коэффициент относительной трудоемкости слесарно-сборочных работ для паровой турбины К-300-240 имеет значение Ктр = 0,25. По менее технологически отлаженным турбинам, выпускаемым малыми сериями, доля слесарно-сборочных
работ значительно выше. Так, например, по паровой турбине К -800-240-2 она составляет уже одну треть, т. е. Ктр = 0,33. Необходимо отметить, что в связи с более быстрыми темпами совершенствования технологии механообрабатывающих и заготовительных цехов основного производства по сравнению с развитием технологии сборочного производства величина коэффициента /<тр в турбостроении непрерывно возрастает.
Распределение трудоемкости различных видов работ, выполняемых при сборке серийно выпускаемой приводной газотурбинной установки ГТК-10, показано в табл. 15.8.
В состав работ в табл. 15.8 включена механическая об
Таблица 15.8
Структура трудоемкости основных видов работ, выполняемых при сборке газотурбинной установки ГТК-Ю 116]
Вид работы	Трудоемкость	
	в иор-мо-часах	В % К суммарной работе всех видов
Основная сборка	2712	33,4
Промежуточная сборка	102	1,3
Испытание и балансиров-ка	2312	28,5
Доделочные и пригоночные	1389	17,1
Механическая обработка в процессе сборки	630	7,8
Демонтаж	158	1,8
Прочие дополнительные работы	817	10,1
Всего:	8120	100
работка, необходимость ко-
торой определяется процессом сборки. Анализом процессов сборки турбины ГТК-10 выявлено, что 43 шт. деталей сборочных единиц подвергаются слесарной обработке, не связанной с собственно сборкой, и при этом 68 раз устанавливаются или переустанавливаются. На оборудовании, размещенном вне рабочих мест сборки, 38 шт. деталей и сборочных единиц проходят механическую доработку. Детали и сборочные единицы при этом устанавливаются и переустанавливаются 57 раз.
Для оценки структуры слесарно-сборочных работ в турбостроении используется так называемый коэффициент собираемости /<со0, представляющий собой отношение трудоемкости собственно сборочных работ Тс. Л в нормо-часах к трудоемкости собственно слесарносборочных работ, в состав которых не включается трудоемкость испытаний и демонтажа, т. е.
КСОб --- Т’с. сб/^с. сл-сб-
(15.15)
Технологический процесс создания газотурбинной установки ГТК-10 характеризуется величиной коэффициента собираемости
475
Ксоб = 0,54 и величиной коэффициента относительной трудоем-кости слесарно-сборочных работ = 0,34.
Для турбин К-300-240 величина коэффициента собираемости согласно табл. 15.7 составляет
^с°б ~ 23 966" = °’4®'
Общий цикл сборки крупных машин чрезвычайно удлиняется из-за нарушения непрерывности процесса сборки, связанной с передачей после промежуточной сборки сборочных единиц и отдельных деталей на рабочие места для станочной механической обработки, которые обычно расположены вне сборочных отделений. При этом механическая обработка заключается в доведении деталей резанием до размеров, указанных в составленных при сборке формулярах: в обработке ряда поверхностей деталей подшипников, торцов полумуфт, уплотнений, компенсаторов, шпонок и т. д.
Приведенные данные показывают, что прн современном уровне развития технологии крупного машиностроения полное устранение пригоночных работ при сборке является невозможным. В связи с этим, наряду с задачей всемерного сокращения объема этих работ путем совершенствования технологии механической обработки деталей и повышения ее точности и качества, ставится важнейшая задача всемерного совершенствования техники выполнения пригоночных операций, их механизации и контроля, которая осуществляется с целью общего повышения качества и производительности сборочных работ.
УСТАНОВЛЕНИЕ НОРМ ВРЕМЕНИ НА СБОРОЧНЫЕ ОПЕРАЦИИ И ОФОРМЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ
Важной составной частью разработки технологического процесса является нормирование слесарно-сборочных работ.
Расчет нормы штучного времени на операцию производится [9] по формуле
^Ш = ТОП(1 +Л°тд+/о6с-)^	(15.16)
где Топ — оперативное время на операцию, определяемое соотношением Тод = То + Тв [см. формулу (10.1)]; Л0ос — время на обслуживание рабочего места (в процентах от оперативного времени); 40тд — время на отдых и личные надобности (в процентах от оперативного времени); К — поправочный коэффициент на оперативное время, учитывающий количество приемов, выполняемых этим рабочим.
Нормирование сборочных работ ведется по нормативам времени на слесарно-сборочные работы [9].
При сборке изделий партиями определяется штучно-калькуляционное время по формуле
Тщ-к == Тш -|- Т
476
где Тп-з — подготовительно-заключительное время на партию деталей.
При поточной сборке в состав штучного времени включается время Тт — на перемещение собираемого изделия (при периодически движущемся конвейере) и на возвращение рабочего в исходную позицию (при непрерывно движущемся конвейере). Если Тт перекрывается другими элементами штучного времени, то оно не учитывается.
На основе норм штучного или штучно-калькуляционного времени определяются трудоемкость сборки всего изделия, а также количество рабочих мест или позиций и потоков, необходимых для сборки одинаковых изделий.
При сборке в условиях поточного производства длительность операции должна быть равной или кратной такту сборки машины. Обеспечение синхронизации операций часто требует корректировки ранее принятых решений: изменения последовательности сборки; частичного изменения содержания операций путем их совмещения или расчленения, применения более производительных средств оснащения технологического процесса и др.
Трудность совершенствования технического нормирования в сборочных цехах объясняется значительно меньшим, чем в механических и заготовительных производствах, объемом машинного времени в структуре нормы времени. Это затрудняет внедрение технически обоснованных норм, что делает норму более зависимой от субъективных оценок нормировщиков. Основным направлением совершенствования нормирования слесарно-сборочных работ при изготовлении однотипных изделий является централизация и типизация нормирования времени.
ИСПЫТАНИЯ МАШИН
При осуществлении технологического процесса качество сборки проверяется на различных его стадиях. Испытание машин является заключительной операцией их изготовления. Под испытанием продукции понимается экспериментальное определение значений параметров показателей качества продукции в процессе функционирования или при имитации условий эксплуатации, а также при воспроизведении определенных воздействий на продукцию по заданной программе (ГОСТ 16504—81). Различают контрольные и специальные (или исследовательские) испытания.
Контрольные испытания — это испытания, проводимые с целью контроля качества продукции. Одним из видов контрольных испытаний являются приемосдаточные испытания, под которыми понимают контрольные испытания готовой продукции, проводимые изготовителем для принятия решения о ее пригодности к поставке или использованию. Приемосдаточные испытания, как правило, проводятся в объеме, состав которого приводится ниже.
Проверка изделия в статическом состоянии. Прн этом проверяются: геометрическая точность изделия в соответствии со стандартом на нормы точности для соответствующего оборудования: жесткость
477
изделия (для металлорежущих станков); плавность перемещения подвижных узлов в ручном режиме (если это предусмотрено конструкцией); постоянство положения подвижных узлов при фиксации их положения на разных участках по длине перемещения; качество сборки электрооборудования.
Проверка изделия на холостом ходу. При этом проверяются: правильность функционирования механизмов и систем изделия; мощность холостого хода; надежность блокировки; уровень шума и его частотный спектр; уровень вибраций холостого хода; температура нагрева подшипников ответственных узлов. Проверка изделия на холостом ходу осуществляется на различных режимах, установленных программой испытания.
Проверка изделия под нагрузкой. При этом проверяются: безотказность работы всех механизмов и систем изделия при его нагружении наибольшими усилием, мощностью или крутящим моментом; качество работы машины в производственных условиях; эксплуатационные характеристики.
Специальные или исследовательские испытания — это испытания продукции, проводимые с целью изучения ее параметров и показателей качества. Этот вид испытаний проводят по специальной программе в тех случаях, когда необходимо изучить пригодность различного рода конструктивных изменений.
РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРОЦЕССА СБОРКИ
Расчет основных показателей и технико-экономических характеристик сборочного процесса производится по формулам, которые приводятся ниже.
Такт выпуска — интервал времени, через который периодически производится выпуск изделий.
Номинальный такт (мин/шт.) определяется соотношением
7\ = 60Ф/А/г,	(15.17)
где Ф — годовой фонд рабочего времени, ч; А/г — годовая производственная программа, шт,;
причем годовой фонд рабочего времени определяется по формуле Ф ~ ДСТС1Лг\у,
где Д — число рабочих дней в году; С — число рабочих смен за день; Тсм — длительность смены, ч.; т]р — коэффициент, учитывающий потери времени на ремонт оборудования.
При двухсменной работе Ф = 4140 ч, при односменной — Ф = 2070 ч.
Действительный такт (мин/шт.) выражается формулой
ТЛ = 60ДС (ТсмП₽ - Too - Го„)/л/г,	(15.18)
где Тс0 — потери времени в течение смены на обслуживание рабочих мест, ч; T0Ja — потери времени на перерывы в работе для отдыха и естественных надобностей рабочих в течение смены, ч.
478
Ритм выпуска — количество изделий определенного наименования, выпускаемых в единицу времени;
номинальный ритм (шт./мин)
R„=l/Tu;	(15.19)
действительный ритм (шт./мин)
/?«=!/?>	(15.20)
Производительность сборочного рабочего места (шт./мин) — количество объектов (узлов или изделий), собираемых на рабочем месте в единицу времени, определяется по формуле
(? = /Вп/Тш,	(15.21)
где t—рабочее время, к которому отнесена производительность, мип; Вп — число рабочих, выполняющих операцию на данном рабочем месте; Тш — штучное время выполнения сборочном операции, мин.
Коэффициент загрузки — степень загруженности производительной работой:
рабочего места (поста)
/f-S	(15.22)
поточной линии сборки
I пп
(15-23)
Коэффициент качества сборочного процесса
Лна,.сб = (Гс + Тр + Тпп)/Лб-	(15.24)
где Гс — трудоемкость сборочных операций, требующих простого сочленения деталей; — трудоемкость операций по регулированию сопряжений, производимому перемещением или поворотом деталей с последующим их закреплением; — трудоемкость операций подобно предыдущим, но с последующей штифтовкой без разборки; Tcli — общая трудоемкость сборки.
Чем больше коэффициент качества, тем выше уровень технологического процесса.
Коэффициент расчлененности сборочного процесса
^расчл = Т’сб. ед/Т'сб’	(15.25)
где Тсб.ед — суммарная трудоемкость сборки сборочных единиц. Чем больше Красчл. *ем выше качество сборочного процесса. Коэффициент значимости пригоночных работ
KoP = V,c{,	05-26)
где Тпр — трудоемкость пригоночных работ; Тс. сб — трудоемкость собственно сборочных операций.
Чем меньше Кпр, тем выше качество сборочного процесса.
479
Коэффициент трудоемкости слесарно-сборочных работ, как было показано в формуле (15.14), определяется соотношением
•' гр Тсл.сб/Тмсб,
где Гсл-сб — трудоемкость слесарно-сборочных работ; Тмсб — общая трудоемкость механосборочных работ по данному изделию.
$ 15.4
АВТОМАТИЗАЦИЯ СБОРОЧНЫХ РАБОТ
Большая доля затрат времени на сборочные работы в общей трудоемкости изготовления машин и длительность общего цикла сборки делают особенно актуальной проблему автоматизации сборочных работ. Значение решения этой проблемы определяется не только задачами повышения качества продукции, экономичности ее произ-
Таблица 15.9
Минимальная программа выпуска изделий в условиях автоматической сборки
Наименьший размер детали, мм	Максимальная продолжительность цикла, с	Программа выпуска, тыс. шт./год
До 100 100—300 Более 300	7 18 30	800 320 200
водства и повышения производительности труда, но связано также с решением важнейшей социальной задачи — уменьшения, а затем и ликвидации утомительного физического ручного труда, достигающего в сборочных процессах 60—80 %.
Опыт отечественной и зарубежной промышленности показывает, что при автоматизации сборки мелких и средних изделий стоимость сборки снижается на 55—65 %. Автоматизация сборки экономически оправдывается, если затраты на ее организацию окупаются за счет заработной платы высвобождаемых рабочих в течение полутора лет. При этом одновременно решается чрезвычайно важная задача снижения потребности предприятия в рабочей силе, дефицит которой остро ощущается в отечественной промышленности.
Несмотря на большое значение автоматизации сборочных работ, она получила в отечественной промышленности сравнительно небольшое распространение. Это объясняется рядом специфических трудностей, важнейшие из которых приводятся ниже.
Основная часть продукции машиностроения, достигающая 75— 80 % от общего выпуска, производится в условиях серийного и мелкосерийного типов производства при достаточно частой смене изделий. Опыт проведения автоматизации сборочных работ показывает, что она хорошо окупается при достаточно большой программе выпуска (табл. 15.9).
В обычных условиях серийного машиностроения для обеспечения экономической эффективности автоматической сборки должны создаваться дешевые, гибкие, быстропереналаживаемые сборочные автоматы, собираемые из унифицированных и типовых деталей и узлов, выпускаемых в централизованном порядке. Конструкции таких ав
480
томатов созданы, однако их серийное производство в должном масштабе еще не налажено.
Большинство сборочных операций по своему характеру и технологической сущности проще многих операций механической обработки. Тем не менее при автоматизации сборочных процессов часто возникают большие трудности, которые прежде всего связаны с подачей деталей, их точным направлением, ориентированием и фиксацией. Необходимость автоматического выполнения этого комплекса вспомогательных движений в условиях стесненного рабочего пространства является причиной значительного усложнения схем и конструкций сборочных автоматов и снижения их надежности.
Конструкция изделий, собирающихся методами ручной сборки, во многих случаях оказывается непригодной для организации автоматической сборки. Возможность автоматизации сборки должна учитываться, начиная с первой стадии проектирования машины или механизма. Например, в связи с тем что экономическую эффективность автоматизации сборочных работ трудно обеспечить при малом числе сборочных позиций, желательно при конструировании создавать сборочные единицы (изделия и узлы) с числом деталей в пределах от 4 до 12.
При организации автоматической сборки изделия, выпускающегося методами ручной сборки, требуется существенная переработка его конструкции в соответствии со специфическими требованиями технологичности, связанными с автоматизацией сборочных процессов: базовая деталь должна быть устойчивой, с низко расположенным центром тяжести; необходимо уменьшить количество направлений, в которых устанавливаются детали при сборке узла (в лучшем случае установка деталей должна производиться в одном направлении); нужно создать на деталях искусственные технологические базы, позволяющие облегчить их ориентирование и соединение, если с этой целью не могут быть использованы конструкторские базы; желательно объединить конструкции нескольких деталей в одну более сложную, что позволяет в ряде случаев уменьшить количество сборочных операций, придать собираемым деталям симметричные и простые формы (это во многом упрощает загрузочные, ориентирующие, фиксирующие и транспортирующие устройства сборочных автоматов), а если это возможно, создать у деталей смещенный центр тяжести, что облегчит ориентацию в загрузочных устройствах и т. п.
Ппи проведении общей линии на создание блочных конструкций изделий в конкретных условиях автоматизированной сборки выделение узловой сборки может усложнить общую автоматизированную сборку в связи с возникновением затруднений по выдаче, ориентированию, захвату и переносу готовых узлов к месту их присоединения к базовой детали изделия. При этом узлы сложной конфигурации часто нельзя выдавать из бункерных питателей и приходится ставить вручную в строго ориентированном положении на лотки, в кассеты и магазины. В связи с этим в отдельных конкретных случаях создания общей автоматизированной сборки может оказаться целесообразным отказаться от принципа узловой сборки. На
16 Маталин А, А.	481
рис. 15.13 приведена структурная схема требований к оборудованию для автоматической сборки изделий.
При автоматической сборке наибольшее применение находит метод полной взаимозаменяемости (для короткозвенных размерных цепей). Метод обеспечивает наиболее простую конструкцию сборочного оборудования с высокой производительностью и надежностью его работы.
Метод неполной взаимозаменяемости для короткозвенных размерных цепей находит ограниченное применение при автоматической
Соединение деталей
Контроль Обрасы- Обеспе- Обеспече- Обеспечения ичи я ванне юниемеж- ние задан- ние про- . и положе- или операцией-ной после- вильного  ниядета- съем ноготран- дователь- взаимно-лей.наче- с сохра-спортиро-ности вы- гораспо-ства вы- пением вания де- полнения ложения пол нения ориен- талей процесса узлов и процесса —	—......~Л -------"
Подача, взаимная ориентация, посопря-поштучное отделение и передача деталей на сборочную позицию
гаемым поверхностям
Силовое замыкание деталей
тации
Выполняемые элементы сборочного процесса
и режимов механиз-работы мов установки
Рис. 15.13
Структурная схема задач, решаемых прн создании оборудования для автоматической сборки
сборке ввиду возможности появления брака и заклинивания деталей в процессе их сборки. Экономически целесообразно применять этот метод для размерных цепей, у которых число звеньев находится в в пределах 5—10.
Метод групповой взаимозаменяемости (селективная сборка) в автоматической сборке применяется тогда, когда необходимо обе-спечнть весьма высокую точность сопряжения деталей (например, подшипников качения). Схема автоматического оборудования с использованием данного метода значительно усложняется за счет введения измерительно-сортировочных и комплектовочных устройств.
Метод регулирования при автоматической сборке имеет ограниченное применение. Схема и конструкция оборудования усложняются за счет введения регулировочных и контрольных устройств.
Метод пригонки прн автоматической сборке нецелесообразен.
482
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА АВТОМАТИЧЕСКОЙ СБОРКИ
Разработка технологического процесса автоматической сборки осуществляется в следующей последовательности: изучение сведений о качестве изделий, действующей технологии изготовления деталей и об их контроле; выявление операций, оказывающих наибольшее влияние на качество собираемых изделий; изучение видов соединений и режимов сборки, конструкторских баз, условий ориентации и подачи элементов на позицию сборки; экономическая оценка; принятие предварительного решения о возможности автоматической сборки изделия; выявление оптимальной степени расчленения изделия и определения возможных мер по повышению технологичности его конструкции для условий автоматической сборки; выбор метода автоматической сборки соединений; разработка технологических вариантов схем сборки, содержащих сведения о целесообразности и возможности концентрации и дифференцирования операций, а также вариантов схем базирования деталей и их закрепления; выбор загрузочных и ориентирующих устройств, механизмов контроля, сборочных головок, транспортных устройств и т. д. На основе техникоэкономического анализа возможных вариантов осуществляется выбор наиболее рационального варианта технологического процесса сборки.
Типовой процесс автоматической сборки изделия состоит из следующих переходов: загрузка сопрягаемых деталей в бункерные загрузочные или транспортирующие устройства с предварительной их ориентацией при выдаче на сборочные позиции через точки и отсекатели; ориентация в пространстве с требуемой точностью положения поверхностей сопрягаемых деталей на сборочной позиции; соединение и фиксация сопряженных деталей или сборочной единицы; контроль требуемой точности относительного положения сопряженных деталей или сборочной единицы; разгрузка и транспортировка готовой сборочной единицы.
При проектировании технологического процесса автоматической сборки предусматривается необходимость автоматизации всех переходов технологической операции, обеспечения наименьшего числа перемен положения деталей в процессе сборки, построения технологического процесса по поточному принципу и чередования сборочных операций и переходов с контрольными.
Технологический процесс начинается с подачами деталей на сборочную позицию в заданном положении; для этого используются соответствующие ориентирующие устройства пассивной и активной ориентации. В первом случае неправильно ориентированные детали сбрасываются с лотка вибрационного бункера. При активном ориентировании специальные устройства в механизмах питания.принудительно устанавливают детали в правильное положение, что требует затрат некоторого времени, в течение которого перед устройством ориентации образуется очередь подаваемых деталей.
Установка базовых деталей на сборочной позиции производится в соответствии с правилом шести точек со строгим учетом необ-
16*	483
ходимости обеспечения стабильного положения сопрягаемых поверхностей при колебании размеров деталей в пределах установленных допусков. В ряде случаев установка производится в два этапа: предварительная установка и ориентация и окончательное фиксирование.
Разработка технологического процесса автоматической сборки должна быть детальной с построением соответствующей схемы сборки. Каждая операция процесса, изображенная на технологической схеме сборки, определяет вид рабочей позиции оборудования. Технологическая схема с соответствующими характеристиками отдельных операций и переходов является основой для проектирования автоматического сборочного оборудования. На схеме сборки (рис. 15.14).
собираемые детали и сборочные единицы изображены прямоугольниками, а операции — кружками с последовательной нумерацией. Операции, определяющие позиции сборочного оборудования, на схеме обозначены буквами: /7 — подача и установка детали; /\ — контроль; О — обработка; 3 — закрепление; В — выдача собранного узла; У — удаление недоброкачественных узлов.
Продолжительность каждой операции определяется с учетом конструкции соединения, характера сопряжения, траектории и скорости рабочего движения исполнительных органов сборочного оборудования.
При проектировании технологического процесса автоматической сборки сначала разрабатывается дифференцированный вариант. При этом для каждой операции определяются вид исполнительного механизма и продолжительность исполнения каждой операции. Затем рассматривается возможность концентрации операций с целью уменьшения рабочих позиций автоматического оборудования. При концентрации операций необходимо учитывать, что это может привести к излишнему усложнению конструкции оборудования, снизить надежность его работы, а также затруднить наладку и эксплуатацию сборочной установки.
Наличие типовых процессов позволяет выполнить компоновку оборудования таким образом, что при минимальной переналадке на одном автомате будут собираться последовательно группы узлов различной, но принципиально схожей конструкции. В этом случае 484
базовые детали собираемых сборочных единиц устанавливаются в переналаживаемые приспособления, которыми оснащается автомат.
Наиболее сложным и ответственным переходом при автоматической сборке является взаимная ориентация деталей на сборочной позиции. При этом детали должны расположиться относительно друг друга так, чтобы их можно было беспрепятственно собрать последующим движением. К способам ориентации предъявляются требования, чтобы колебания размеров деталей в пределах их допусков мало отражались на положении деталей. Существуют два метода ре
ализации относительного ориентирования деталей перед сборкой: жесткое базирование и самоориентация.
Пример жесткого базирования деталей при сопряжении валика с втулкой приведен на рис. 15.15. Втулка подается снизу, а валик — сверху (рис. 15.15, а). Втулка имеет наружный диаметр D с допуском Тн; величина диаметра может колебаться в пределах от DM до (рис. 15.15, б), и внутренний диаметр d0 с допуском Тв может колебаться от d0. ы до d0. б- Кроме того, отверстие может располагаться эксцентрично по отношению к наружной поверхности на величину е. Плоские неподвижные упоры для втулки и валика могут располагаться как с противопо-
a)l U
II
Рис. 15.15
Dg + doM	Жесткое базирование при
Л.=—1-------е автоматической сборке
I	валика и втулки (/ —
Г»—жесткое базирование втулки слева; II — жест-
кое базирование валика справа; III — жесткое базирование валика слева)
ложных сторон сборочной ПОЗИ-
ЦИИ (рис. 15.15, б), так и с одной стороны (рис. 15.15, г). Последний
способ расположения упоров менее удобен для размещения под-
водящих лотков.
Левое предельное положение крайней правой точки а отверстия втулки будет тогда, когда втулка имеет наименьший наружный диаметр Ом, отверстие во втулке имеет наименьший диаметр d0. м и наибольший эксцентриситет е располагается по горизонтальной оси влево от оси втулки (рис. 15.15, а). При этих условиях расстояние от неподвижного плоского упора для втулок до крайней правой точки а отверстия *
h
Dm 4-
о.м
2 е’
(15.27)
Очевидно, что при расположении упоров с противоположных сторон упор валиков должен быть установлен на расстоянии h от упора для втулок. Когда упор размещен вправо от точки а, валик
485
при опускании может встретить край втулки. Правое предельное положение левой точки отверстия втулки будет тогда, когда втулка имеет наибольший наружный диаметр D6, отверстие во втулке имеет наименьший размер d0 м и наибольший эксцентриситет е распола-
гается по горизонтальной оси вправо
деляется из выражения
от оси втулки (рис. 15.15, б). Тогда расстояние от неподвижного плоского упора для втулки до крайней левой точки b отверстия
/гх = De-do.M +<?< (15.28)
При расположении упоров с одной стороны расстояние между ними должно быть равно (рис. 15.15, г).
Если валик имеет наружный диаметр dB, б, не превышающий величины а — b (рис. 15.15, а, б), и при расположении упоров на расстояниях, найденных по формулам (15.27) и (15.28), сопряжение валика со втулкой гарантировано.
При этом наименьший гарантированный зазор соединения опре-
Amin — do.M
-dD.6^-^- + 2e.
(15.29)
Если допуски на размеры сопрягаемых деталей не удовлетворяют условию (15.29), то для осуществления автоматической сборки на сопрягаемых деталях необходимо предусмотреть фаски, величина которых с определяется по той же формуле (15.29), т. е. с = Ти2 + + 2е.
Очень ответственной является взаимная ориентация деталей винтовых соединений, так как в условиях автоматической сборки при использовании механизированных винтозавертывающих устройств в случае переноса деталей возможен срыв резьбы.
Пример взаимной ориентации деталей винтового соединения изображен на рис. 15.16. Винт находится в ориентирующем устройстве, а гайка центрируется на сборочной позиции установленным подпружинным фиксатором. Ориентирующее устройство и центрирующий фиксатор с определенной точностью центрируются друг относительно друга.
Смещение е собираемых резьбовых деталей определяется на основании расчета размерной цепи погрешностей базирования (рис. 15.16, а)
е = ех + е2 + е3,
(15.30)
486
где — погрешность расположения осей базирующего и ориентирующего элементов, допущенная при изготовлении сборочной установки; е2 — наибольшее смещение оси винта относительно оси ориентирующего устройства (е2 = -^-+-у-+--тр-); — наибольшее смещение оси гайки относительно оси установочного пальца
Обозначения в формулах: Тв — допуск на обработку наружной поверхности винта; Дв — гарантированный зазор между ориенти-
рующим устройством и винтом; гор -стия ориентирующего устройства; Д, между отверстием гайки и установочным пальцем; Тг — допуск на обработку отверстия гайки;
Тф —допуск на изготовление фиксатора.
Максимально допустимое параллельное смещение осей резьбовых поверхностей собираемых деталей, при котором возможно сопряжение деталей, определяется выражением: еъ + е2 4-е3 < 0,3255, где S — шаг резьбы. При наличии на сопрягаемых винтовых поверхностях фасок параллельное смещение может быть допущено несколько большей величины.
допуск на обработку отвер-— гарантированный зазор
Рис. 15.17
Вибрационное устройство для самоориен-тацин собираемых деталей
Кроме параллельного смещения при автоматической сборке резьбовых соединений может произойти перекос осей (рис. 15.16, б), когда первый виток винта попадает в канавку гайки через шаг и происходит заедание и срыв резьбы. Значение угла перекоса винта (J в этом граничном случае может быть определено по формуле
=	(15.31)
где d — наружный диаметр резьбы.
Методы жесткого базирования в ряде случаев автоматической сборки не могут гарантировать полного сопряжения деталей, поэтому для повышения надежности сборки при ее автоматизации применяются методы самоориентации (самоискания). Примером устройства для самоориентации собираемых деталей может служить вибрационное устройство, схеуа которого приведена на рис. 15.17. Данное устройство имеет два электромагнита, расположенных перпендикулярно друг другу, якоря которых жестко связаны с исполнительным элементом сборочного приспособления. Электромагниты 1 прикреплены к основанию приспособления. Одна из сопрягаемых деталей 4 жестко крепится к подвижной платформе 3 приспособления, с которой соединены якоря 2 электромагнитов. Другая сопрягаемая деталь подается в направлении, перпендикулярном к плоскости чертежа.
487
Катушки электромагнитов 1 включены в сеть через полупроводники, обеспечивающие сдвиг тока в катушках по фазе на 90° и переменное действие электромагнитов. При этом якоря 2 попеременно притягиваются к сердечникам катушек электромагнитов 1, а после их включения платформа 3 с деталью 4 возвращается в исходное положение под действием пружины 5. Это обеспечивает перемещение детали 4 по траектории, близкой к окружности, и надежное сопряжение собираемых деталей.
Новым направлением в технологии автоматической сборки является широкое совмещение сборочных работ с процессами изготовления сопрягающихся деталей, а также введение при сборке на автоматах операций по совместной обработке деталей узла.
Автоматическая сборка осуществляется на сборочных установках, применяемых в настоящее время главным образом для сборки сравнительно небольших узлов в крупносерийном и массовом производствах.
К числу основных узлов автоматического сборочного оборудования относятся: 1) загрузочные бункера или магазинные устройства, содержащие запас собираемых деталей; 2) ориентирующие устройства, выдающие детали в ориентированном положении на сборочную позицию; 3) механизмы питания, подающие ориентированные детали на сборочную позицию; 4) сборочные позиции, принимающие ориентированные детали от механизмов питания и удерживающие их в определенном положении до осуществления сопряжения; 5) механизмы для выполнения сопряжения и закрепления соединений (прессы, винтозавертывающие, сборочные и тому подобные устройства). Если сборка многопозиционная, то в состав установки входит еще механизм межоперационного транспортирования в виде поворотного стола (сборочные автоматы) или транспортера (автоматические сборочные линии).
При селективной сборке в состав сборочной установки входит еще контрольно-сортировочный автомат для измерения и сортировки на размерные группы одной или нескольких деталей перед сборкой узла.
Детали простой конфигурации (шайбы, диски, валики, втулки, колпачки и т. п.) мелких и средних размеров подаются на сборочную позицию из бункера, в который они засыпаются в количестве, необходимом на несколько часов работы. Более сложные детали загружаются в магазины. Крупные и сложные детали (корпусы, картеры) устанавливаются на сборочную позицию вручную. При этом особое внимание обращается на контроль установки деталей в исходных конечных положениях.
В отличие от автоматических линий механической обработки в автоматических сборочных линиях не предусматривается создание заделов собираемой продукции между отдельными сборочными позициями, так как сборочный инструмент не требует частой смены и регулировки.
Выбор типа сборочного оборудования в значительной степени зависит от конструкции собираемого узла, годового выпуска изделий 488
и стабильности их производства. Ниже приведены значения годового выпуска изделий в тысячах штук при использовании различных типов сборочного оборудования
Сборочные приспособления, механизированный ин-
струмент (гайковерты, винтоверты и т. п.).......До 20
Сборочные устройства с механизированной подачей деталей к месту сборки..........................20—100
Однопозиционные полуавтоматы ................... 100—200
Многопозиционные полуавтоматы и автоматы . . . 200—1000 Автоматические сборочные линии..................Св. 1000
Многопозиционные сборочные полуавтоматы и автоматы применяются для сборки узлов средней сложности с числом сборочных позиций не более восьми.
Для обеспечения экономической эффективности автоматизации сборки необходима стабильность выпускаемой продукции не менее, чем в продолжение двух лет.
Развитие работ по автоматизации сборки в значительной мере сдерживается необходимостью индивидуального проектирования и изготовления большого количества специального оборудования. Это приводит к удлинению сроков и увеличению стоимости подготовки средств автоматизации при недостаточной надежности их работы. Одновременно при этом затрудняется решение важной проблемы сочетания автоматизации с гибкостью автоматических средств в условиях перехода на новое изделие, что особенно важно для серийного производства. Основным способом преодоления этих затруднений является широкое внедрение агрегатирования и нормализации элементов автоматических устройств с их централизованным изготовлением на специальных предприятиях, с обеспечением возможности многократного использования этих элементов для создания переналаживаемых автоматических сборочных линий. Опыт показывает, что метод компоновки сборочного автоматического оборудования из типовых и нормализованных узлов в два-три раза сокращает сроки проектирования и изготовления сборочных установок по сравнению со сроками создания специального сборочного оборудования.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ АВТОМАТИЧЕСКОГО СБОРОЧНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
При определении производительности автоматического сборочного оборудования устанавливается продолжительность (цикл Тц) выполнения сборочной операции. Величина Тц в минутах определяется по формуле
Тц = Гд + Гор + 7’с + Гтр,	(15.32)
где Та — время, затрачиваемое на подачу деталей; Тор — время ориентации; Тс— время сопряжения; —время транспортирования собранного узла.
489
Первое и четвертое слагаемые определяют положительность процессов транспортирования. Затраты времени на эти переходы в общем случае определяются формулой
ЛР = L/v,	(15.33)
где L — расстояние от лотков или магазинов до сборочной позиции; -v — скорость перемещения деталей или скорость движения толкателей механизмов питания.
Если скорость движения v переменная, то в формулу надо подставлять среднее значение скорости иср.
Время ориентации Тор, если оно не совмещается с временем транспортирования, определяется продолжительностью перемещения соответствующих ориентирующих механизмов и определяется так же, как и время транспортирования, по формуле
Top = L'/vcp,	(15.34)
где L' — путь, проходимый деталями при ориентации; VcP — средняя скорость перемещения деталей при ориентации.
Время, затрачиваемое на сопряжение деталей друг с другом, зависит от характера сопряжения.
Если сопряжение свободное и детали входят в сопряжение друг с другом с зазором, то время на осуществление сопряжения определяется продолжительностью свободного падения детали, т. е.
ТС = /2Ш	(15.35)
где h — расстояние от лотков или магазинов до сборочной позиции; g — ускорение свободного падения.
Если сопряжение осуществляется на прессе (как свободное, так и напряженное), то время, потребное на сопряжение, определяется длительностью одного двойного хода пресса
Тс = 1/п,	(15.36)
где п = 40-4-90 дв. ход/мин — число двойных ходов пресса в минуту.
Затраты времени на выполнение винтового сопряжения
Тс = Z/(Sn),	(15.37)
где I — длина ввинчивания; S — шаг резьбы; п = 500-4-ч-ЮОО об/мин — частота вращения шпинделя винтозавертывающего устройства.
Продолжительность цикла Тц можно в ряде случаев уменьшить за счет совмещения его элементов.
Производительность Q (шт./ч) оборудования в час можно определить по формуле
Q = 60/Тц.	(15.38)
Фактическая производительность оборудования с учетом потерь времени Q;J) = Qq, где р — коэффициент использования автоматического оборудования. Коэффициентом использования называется отношение времени бесперебойной работы автоматической установки за какой-то период к суммарному времени работы и простоев за тот
490
же период. Коэффициент использования характеризует качество работы автоматического оборудования, уровень эксплуатации, надежность в работе, степень загрузки и показывает долю времени его работы в общем фонде времени.
В соответствии с ГОСТ 13377—75 под надежностью автоматического оборудования понимается свойство оборудования выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени. Заданной функцией является средняя производительность оборудования при условии сборки узлов в соответствии с техническими требованиями и запланированной рентабельностью. Низкая надежность приводит к снижению производительности автоматического оборудования.
Глава 16
НАПРАВЛЕНИЯ ДАЛЬНЕЙШЕГО РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ
$ 16.1
АВТОМАТИЗАЦИЯ ЕДИНИЧНОГО,
МЕЛКОСЕРИЙНОГО И СЕРИЙНОГО ТИПОВ ПРОИЗВОДСТВА
СТАНКИ С ОПЕРАТИВНОЙ СИСТЕМОЙ УПРАВЛЕНИЯ
Одним из основных направлений автоматизации серийного производства является расширение использования станков с ЧПУ, экономическая эффективность которых проявляется уже при обработке сравнительно небольших партий (20—40 шт.) заготовок. Однако в условиях единичного производства в большинстве случаев сохраняются экономические преимущества универсального оборудования с ручным управлением.
Создание мини-ЭВМ в системе CNC на базе микропроцессорной техники дает возможность эффективно использовать станки с ЧПУ в условиях мелкосерийного и единичного типов производства при обработке нескольких штук заготовок.
Токарные, фрезерные и фрезерно-сверлильные станки с оперативной системой управления (ОСУ) позволяют осуществить программирование непосредственно на станке с вводом управляющей программы (УП) с помощь^ клавиатуры пульта станка. При этом у станков сохраняется возможность ввода УП также и с перфорационной или магнитной ленты.
При ручном вводе программ управляющее устройство станка в определенной последовательности запрашивает у оператора информацию на каждую ступень обработки (выдерживаемые размеры, частота вращения шпинделя, подача и т. п.), которую он вводит
491
нажатием соответствующих клавиш. В памяти устройства хранятся различные стандартные циклы (нарезание резьб, сверление, обработка сфер и др.), программирование которых требует от оператора только указания необходимых размеров. При этом осуществляется автоматическое разделение общего припуска между отдельными ходами инструмента, обеспечивающее постоянство объема снимаемой стружки. Траектория движения инструмента вычисляется автоматически, и оператор освобождается от трудоемких расчетов опорных точек, поэтому некоторые системы позволяют осуществлять программирование непосредственно по чертежу или операционному эскизу. Ручное программирование и ввод УП обработки простой заготовки требуют затраты 20—30 мин. При обработке более сложных заготовок оператор вводит программу, пользуясь простыми таблицами, составленными в технологическом отделе.
В некоторых станках с ОСУ предусмотрена возможность устранения трудоемкой предварительной настройки инструментов на размер, которая заменяется введением в систему необходимой коррекции, учитывающей смещение положения инструмента относительно требуемого и соответствующее позиционирование инструмента.
Крупным преимуществом станков с оперативным управлением является возможность редактирования (устранения ошибок и внесения исправлений) программ непосредственно на рабочем месте. В традиционных системах управления устройств ЧПУ жесткой структуры проверка и корректировка программы, записанной на ленту, требует больших затрат станочного времени, достигающих 20—40 % от общей трудоемкости подготовки программы, так как изменение программы осуществляется в отделе программирования вто время, когда станок простаивает. В оперативных системах управления эти потери времени существенно сокращаются.
В условиях единичного, мелкосерийного и серийного типов производства станок с оперативным управлением CNC, обеспечивающей быструю смену наладки и высокую производительность, успешно заменяет несколько станков с ручным управлением. При этом все токарные операции, выполняемые на станке с CNC, осуществляются стандартными инструментами без фасонных резцов и копиров.
Программирование обработки сложных заготовок непосредственно на станке с ОСУ занимает более двух часов, поэтому на предприятиях крупносерийного производства, имеющих централизованную систему программирования, целесообразно осуществлять его в общем порядке с помощью ЭВМ. Ввод готовой программы в ОСУ станка занимает 50—60 с, что соответственно уменьшает простой станка, связанный с программированием.
Отечественные токарные станки 16К20Т1 и 16Б16Т1 с оперативной системой управления «Электроника НЦ-31», построенной на базе микропроцессорного набора, позволяют осуществлять хранение в памяти до шести программ по 250 команд (программа обработки обычного валика составляет 50—70 команд). Дискретность продольных перемещений—0,01 мм, поперечных — 0,005 мм. Точность 492
обработки на станках 16К20Т1 определяется следующими характеристиками: постоянством диаметра в поперечном сечении — 0,003 мм, а в любом сечении — 0,008 мм; плоскостностью обработанной торцовой поверхности на диаметре 250 мм — 0,010 мм; отклонением профиля фасонной поверхности от теоретического — 0,04 мм. Наибольшие отклонения размеров ступенчатых валиков, обработанных по программе, составленной при обработке первой детали, от размеров первой детали по диаметру и длине не превышает 0,03 мм.
Производительность этих станков по оперативному времени в 2,4 раза выше производительности станков тех же моделей с ручным управлением. По штучному времени производительность станков С ОСУ возрастает в 1,5 раза. Дальнейшее совершенствование этих станков, несомненно, принесет значительное повышение их эффективности и точности.
Отечественные фрезерные станки с оперативным управлением оснащаются системой «Электроника» с дисплеем, обеспечивающей управление движениями по трем координатам с дискретностью 0,01 мм.
Применение станков с оперативным управлением облегчает труд станочника, освобождая его от выполнения монотонной и утомительной работы, автоматизированной в стандартных циклах (резьбонарезание, сверление с многократным выводом сверла и т. п.); облегчает управление станком; повышает заинтересованность рабочего, подготавливающего программы для своей работы, и делает работу станочника более привлекательной.
Применение станков с оперативным управлением может быть экономически эффективным при обработке отдельных единичных заготовок и всегда эффективно при обработке партий в три-четыре штуки и более.
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ И РАСШИРЕНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ СТАНКОВ С ЧПУ
Основным направлением автоматизации серийного производства в дальнейшем останется расширение применения станков с ЧПУ. По прогнозам специалистов, доля станков с ЧПУ в мире возрастет к 1990 г. до 40—45 % против существующих 18 %. При этом будет продолжаться дальнейшее совершенствование систем ЧПУ и конструкций станков, способствующее повышению их точности и производительности. Особое внимание при этом и впредь будет уделяться расширению технологических возможностей станков с ЧПУ по обработке с одного установа большого числа поверхностей заготовки, что обеспечит дальнейшее повышение точности их взаимного расположения и сокращение длительности общего цикла обработки.
Совершенствование систем ЧПУ в первую очередь направляется на повышение точности обработки заготовок и компенсацию возникающих погрешностей.
Современные системы УЧПУ обеспечивают дискретность позиционирования в пределах 0,0005—0,001 мм, а в специальных слу
493
чаях — даже 0,00025—0,0005 мм при стабильности позиционирования в пределах 0,0001 мм. Системами обеспечиваются бесступенчатое регулирование частоты вращения шпинделя с сохранением постоянства скорости резания при переходе на обработку поверхностей другого диаметра и возможность углового позиционирования шпинделя для ориентированной установки в патрон несимметричной заготовки, а также для осуществления внеосевой (поперечной) обработки неподвижной заготовки сверлением и фрезерованием.
Новыми системами ЧПУ предусматривается компенсация систематических погрешностей обработки, связанная с тепловыми деформациями технологической системы, влиянием люфтов соединений на точность перемещений при реверсировании; вводится автоматическая коррекция накопленных погрешностей перемещений, связанных с отклонениями шага ходового винта.
Созданы и развиваются устройства для коррекции смешения положения заготовки при ее закреплении на станке, т. е. устройства, компенсирующие погрешность закрепления заготовки.
В современных токарных станках вводится автоматическое измерение размеров обрабатываемых заготовок (обычно датчиками контактного типа). Полученная информация перерабатывается системами ЧПУ для осуществления автоматической коррекции положения инструмента. При обработке крупных и дорогостоящих заютовек подобные измерения заготовки и коррекции положения инструмента осуществляются после черновой обработки перед чистовым ходом инструмента, что исключает опасность появления даже штучного брака.
Для предотвращения поломки инструмента и появления брака во многих системах вводятся ограничители, прерывающие процесс обработки при достижении предельных значений мощности резания, силы, крутящего момента и т. п.
В УЧПУ токарных станков используются только стандартные циклы обработки геометрических элементов заготовок (корпус, дуга, резьба, сверление с многократным выводом сверла, точение по замкнутому циклу в продольном и поперечном направлениях), которые под соответствующим кодом вводятся в программу с помощью клавиш пульта, но в некоторых случаях вводятся целые подпрограммы обработки типовых деталей, чрезвычайно упрощающие осуществление групповой обработки.
Расширяется применение адаптивных систем управления по силе и мощности резания, изменяющих частоту вращения шпинделя и подачу. Новые системы адаптивного управления отличаются высоким быстродействием. Так, изменение подачи по сигналу системы происходит за один оборот шпинделя, а частота вращения шпинделя снижается с 2000 до 0 оборотов в минуту за несколько миллисекунд. Применение адаптивных систем управления особенно целесообразно при значительных колебаниях припусков (обработка поковок и отливок с переменными припусками) и механических свойств обрабатываемых матеоиалов, что особенно характерно для единичного и серийного типов производства.
494
Для серийного и крупносерийного типов производства станки с ЧПУ на микропроцессорах поставляются с загрузочными устройствами для установки и снятия заготовок из патрона. Эти стачки могут включаться в гибкие автоматизированные участки, управляемые общей ЭВМ.
Так как на станках с ЧПУ доля машинного времени в общем времени обработки существенно возрастает, увеличивается значение снижения его затрат путем повышения скорости резания. Поэтому в современных станках с ЧПУ частота вращения шпинделя повышается до 3500—4000 мин-1, а в обрабатывающих центрах — до 6000 мин-1. В связи с этим в средних и крупных токарных патронах должна предусматриваться компенсация влияния центробежных сил, снижающих силу зажима.
Скорость быстрых холостых перемещений суппортов и столов станков с ЧПУ возросла до 15 мЛиин, а на отдельных токарных станках скорость перемещения суппорта достигла 19 м/мин. Ее дальнейший рост ограничивается конструктивными трудностями.
Для повышения жесткости, облегчения удаления стружки и смазочно-охлаждающей жидкости 65 % современных токарных станков с ЧПУ выпускаются с наклонным или вертикальным расположением направляющих станины.
Продолжается расширение применения станков с ЧПУ с автоматической сменой инструмента (обрабатывающих центров). В настоящее время их количество составляет в различных странах 15— 25 % от общего числа станков с ЧПУ, однако предполагается, что к 1990 г. их доля достигнет 50 %.
Современные обрабатывающие центры снабжаются устройствами для смены отдельных инструментов и многошпиндельных головок; для установки на горизонтальном шпинделе вертикальной шпиндельной головки, имеющей свое устройство автоматической смены инструмента и даже инструментальных магазинов. Станки снабжаются сменными столами и наборами поворотных плит-спутников (палет), позволяющих осуществлять быструю автоматическую замену обрабатываемых заготовок различных типа и размеров с контролем позиционирования базовых поверхностей (рис. 16.1). Подобные стаики могут работать автономно или в составе гибкой производственной системы в режиме безлюдной технологии в течение 18—22 ч в сутки.
Для обеспечения автоматического цикла обработки современные обрабатывающие центры снабжаются устройствами для контроля состояния режущего инструмента и степени его затупления по затрачиваемой мощности, крутящему моменту или силе тока, вращающего шпиндель, а также по величинам составляющих Рх и Ру силы резания. Кроме того, предусматривается смена режущего инструмента на основе программы по расчетному периоду его стойкости. Степень размерного износа инструмента для коррекции его положения определяется по результатам автоматических измерений обрабатываемой заготовки или измерений инструмента непосредственно на станке.
4С5
На некоторых обрабатывающих центрах создаются системы ком* пенсации систематических погрешностей обработки и погрешностей закрепления обрабатываемых заготовок.
Рис. 16.1
Обрабатывающий центр с накопителем сменных столов-спутников, предназначенных для работы в режиме безлюдной технологии в гибкой автоматизнроваиной системе
ПОТОЧНЫЕ ЛИНИИ СЕРИЙНОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ
При всех достоинствах и высокой степени автоматизации станков с ЧПУ, особенно их наиболее совершенной и автоматизированной разновидности — обрабатывающих центров, их применение в качестве отдельно работающих единиц не может устранить главный недостаток серийного механосборочного производства — его дискретность. В обычных условиях работы цехов серийного производства коэффициент загрузки станков с ЧПУ не превышает 0,4—0,6. Если учесть, что в современных условиях серийного машиностроения средний коэффициент сменности работы металлорежущего оборудования составляет всего 1,3—1,6, то это означает, что высокопроизводительное и дорогостоящее оборудование с ЧПУ фактически используется всего 600—900 ч в год; это составляет 10—15 % годового фонда времени в объеме 6210 ч в год, которыми располагает оборудование при трехсменной работе.
Повышение фактического использования станков с ЧПУ может быть достигнуто только при объединении этих станков в поточные линии, в которых достигается непрерывность производственного процесса и осуществляется его частичная автоматизация. В условиях 496
серийного производства (при широкой номенклатуре обрабатываемых заготовок и малом их количестве) на первом этапе создания непрерывных процессов обработки наиболее рациональной является организация групповых поточных линий (ГПЛ). Создание подобных линий следует рассматривать в качестве предварительного этапа подготовки предприятия к организации гибкого автоматизированного производства.
Групповые поточные линии (ГПЛ) создаются для обработки групп заготовок, имеющих общий технологический маршрут.
Оборудование для ГПЛ комплектуется из числа имеющихся на предприятии станков с ЧПУ при ручной доставке и смене программ, а также специальных и универсальных станков с ручным управлением, применяемых для выполнения отдельных операций обработки группы заготовок, закрепленной за данной групповой поточной линией. На отдельных позициях линии используются роботы-манипуляторы.
Для межоперационного транспорта на ГПЛ могут применяться простейшие средства механизации, такие, как тележки, ленточные и иные транспортеры и конвейеры разного типа.
После обработки партии заготовок данного наименования производится ручная подналадка станков и смена управляющих программ, подналадка групповых приспособлений, смена и регулирование инструментов для обработки других заготовок данной группы. При этом на разных стенках поточной линии могут одновременно обрабатываться заготовки различного наименования, входящие в общую технологическую группу.
Комплектование групп заготовок для обработки на групповой поточной линии производится исходя из общности технологического маршрута, оборудования и технологической оснастки, а также с учетом трудоемкости обработки заготовок группы и пропускной способности линии.
Применение групповых поточных линий создает непрерывность производственного процесса, улучшает использование оборудования, сокращает производственный цикл обработки заготовок и повышает производительность труда. При этом коэффициент использования станков повышается до 0,8—0,85. Длительность производственного цикла сокращается на 40—50 %. Объем незавершенного производства по оборотным средствам сокращается на 48—54 %. Производительность труда возрастает на 24—39 %. Себестоимость снижается на 11—15 %.
§ 16.2
СОЗДАНИЕ ГИБНОГО АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОИЗВОДСТВА
Развитие машиностроительного производства Советского Союза происходит в последние годы при устойчивой тенденции постоянного уменьшения притока в промышленность новой рабочей силы. Нет никаких сомнений, что эта тенденция сохранится н на последующие годы.
497
Вместе с тем технический прогресс страны, достижения отечественного станко- и приборостроения, вычислительной техники и электроники уже сейчас позволяют создавать высокоавтоматизированные технологические комплексы оборудования, функционирующие без участия или с минимальным участием человека.
Развитие подобных комплексов и переход на безлюдную технологию в условиях многономенклатурного серийного производства, характерного для современного машиностроения, возможны на основе создания гибких производственных систем.
В соответствии с ГОСТ 26228—84 гибкая производственная система (ГПС) — это совокупность или отдельная единица технологического оборудования и системы обеспечения его функционирования в автоматическом режиме, обладающая свойством автоматизированной переналадки при производстве изделий произвольной номенклатуры в установленных пределах значений их характеристик.
По организационной структуре гибкие производственные системы формируются в виде гибких производственных модулей (ГПМ), гибких автоматических линий (ГАЛ) и участков (ГАУ), а также в виде гибких автоматизированных цехов (ГАЦ) и заводов (ГАЗ).
Первой ступенью автоматизации гибкой производственной системы является создание гибких производственных модулей (ГПМ) и гибких производственных комплексов (ГПК). Второй, т. е. высшей ступенью автоматизации Г ПС, является создание гибкого автоматизированного производства (ГАП).
Гибкое автоматизированное производство представляет собой развитую автоматизированную систему, управляемую ЭВМ; оно включает в себя комплекс обрабатывающего оборудования, связанного автоматизированной транспортно-складской системой подачи, хранения и удаления заготовок и стружки (АТСС), автоматизированной системой инструментального обеспечения (АСИО) и системой автоматизированного контроля (САК), взаимосвязано с системами автоматизированного проектирования конструкции выпускаемых изделий (САПР), автоматизированной системой технологической подготовки производства (АСТПП), автоматизированной системой научных исследований (АСНИ) и автоматизированной системой управления производством (АСУП).
Гибкое автоматизированное производство характеризуется высокой степенью автоматизации технологических процессов обработки, обслуживания и управления и непрерывностью многономенклатурного мелкосерийного производства; ГАП делает возможным круглосуточную эксплуатацию технологического оборудования при необязательном участии человека в функционировании системы. Создание ГАП еще не означает осуществления производства с полностью безлюдной технологией; определенная часть персонала должна оставаться на операциях контроля, комплектования заготовок и инструмента, общего наблюдения за ходом производства, однако общая производительность труда при этом повышается при двух- и трехсменной работе не менее чем в пять-шесть раз. При этом люди освобождаются от тяжелых, вредных и монотонных работ, 498
в том числе работ по загрузке оборудования и транспортированию заготовок.
Блочно-модульное построение ГАП позволяет осуществить типовое проектирование новых производств из унифицированных компонентов и модулей, а также серийное изготовление последних на специализированных заводах.
Одной из главных особенностей ГАП является его высокая гибкость, которая позволяет:
1)	в условиях мелкосерийного и серийного многономенклатурных производств в любой момент прекратить изготовление освоенной продукции и в короткий срок с минимальными затратами приступить к выпуску новой продукции;
2)	осуществить обработку на станках различных по конфигурации заготовок установленной группы при разных размерах операционных партий, чередующихся в любом порядке (после партии в 50 шт, может обрабатываться 1—2 шт., затем —30 шт. и т. д.); в обычных условиях мелкосерийного производства затраты времени на переналадку станков для обработки других деталей приводят к потерям до 30 % достижимой продуктивности станков;
3)	заменять отказавший станок гибкого комплекса другим исправным станком, не задерживая хода технологического процесса;
4)	нарушать прямолинейность перемещения обрабатываемых заготовок внутри технологического комплекса и возвращать их для последующей обработки на станки, на которых выполнялись первоначальные операции; это существенно сокращает общее число потребных станков в системе и повышает их коэффициент использования.
ГИБКИЙ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ МОДУЛЬ (ГПМ)
Исходной единицей гибкого автоматизированного производства является гибкий производственный модуль. В соответствии с ГОСТ 26228—84 гибкий производственный модуль (ГПМ) —это гибкая производственная система, состоящая из единицы технологического оборудования, оснащенная автоматизированным устройством программного управления и средствами автоматизации технологического процесса, автономно функционирующая, осуществляющая многократные циклы и имеющая возможность встраивания в систему более высокого уровня.
В общем случае средства автоматизации ГПМ могут включать в себя накопители; спутники; устройства: загрузки и выгрузки, замены технологической оснастки, удаления отходов, автоматизированного контроля, включая диагностирование, а также устройство переналадки и т* д.
Частным случаем ГПМ может быть роботизированный технологический комплекс, встраиваемый в систему более высокого уровня (рис. 16.2).
На ГПМ возможен автоматизированный переход на обработку различных заготовок, который осуществляется в пределах технологических возможностей оборудования.
499
Режущий инструмент гибкого производственного модуля, установленный в специальных державках, хранится в магазинах емкостью 30—80 гнезд; оттуда с помощью манипулятора он подается и устанавливается на станке в рабочем положении. Смена инструмента на станке производится: 1) при переналадке на обработку следующей заготовки по сигналу управляющей программы (УП); 2) по истечении периода расчетной стойкости по сигналу УП; 3) по достижении предельного износа, устанавливаемого устройствами для автоматических измерений размеров обрабатываемой заготовки
Рис. 16.2
Гибкий производственный модуль для обработки деталей вращения, созданный на основе робототехнического комплекса для обработки заготовок вращения:
1 — робот-маннпулятор; 2 — токарный станок с ЧПУ; 3 — система удаления стружки;1 4 — накопитель обрабатываемых заготовок; 5 — накопитель режущего инструмента
или режущего инструмента; 4) при недопустимом затуплении инструмента, фиксируемым устройствами для контроля сил Рх и Ру, мощности тока или вращающего момента.
Для контроля и идентификации поступающих заготовок с последующим вызовом необходимой управляющей программы в некоторых модулях используются лазерные устройства.
Модули для обработки корпусных заготовок часто создаются на основе одного-двух обрабатывающих центров. В связи с тем что для обработки различных сложных корпусных заготовок, изготовляемых малыми партиями, требуется большое число инструментов, которое при «безлюдной технологии» дополнительно возрастает в связи с необходимостью замены затупившегося инструмента дублером, возникает необходимость создания обрабатывающего центра (ОЦ) с большой емкостью магазинов (150—200 гнезд). Такие громоздкие магазины увеличивают время смены и позиционирования инструмента, увеличивают массу и снижают точность станков, 500
поэтому в настоящее время ОЦ для использования в гибких производствах снабжаются сменными инструментальными магазинами, Число гнезд в которых обычно не превышает 40—50. Время смены магазинов не превышает 45 с.
Гибкий производственный модуль для обработки корпусных заготовок снабжается накопителем или магазином плит-спутников для заготовок с емкостью, достаточной для обеспечения автоматической работы модуля во вторую и третью смены без участия человека (рис. 16.3). Станки также снабжаются устройствами для автоматического контроля размеров обрабатываемых заготовок с внесением при необходимости соответствующей коррекции положения инструмента, а также устройствами для диагностики степени его затупления и обнаружения поломок с заменой негодного инструмента.
Модули подобного рода эксплуатируются в две-три смены при работе в режиме безлюдной технологии по 18—22 ч в сутки при двух — четырех отказах в месяц. Причинами отказов чаще всего являются: размерные и геометрические погрешности литых заготовок; колебания свойств материала инструмента; недостатки устройств удаления стружки, что приводит к повышенному износу и поломкам инструмента и потери точности обработки; погрешности установки инструмента и заготовки и недостаточные усилия закрепления заготовки, а также сбои в работе УЧПУ.
Производственные модули создаются также на базе зубодолбежных, сверлильных и сверлильно-резьбонарезных и иных станков.
Гибкие производственные модули могут создаваться на базе унифицированного технологического оборудования, контрольноизмерительных, загрузочных и транспортных устройств, в том числе промышленных роботов и манипуляторов.
Гибкие производственные модули часто работают в составе гибких производственных комплексов вместе с другими модулями, но могут также рационально использоваться и как самостоятельные технологические единицы. Так, например, модуль, построенный на базе ОЦ, с системой.управления типа CNC и системой подачи спутников с накопителем на восемь спутников, предназначенный для обработки корпусов электромоторов, обрабатывает 99 наименований корпусных заготовок, каждая из которых требует для обработки 30—40 единиц инструментов. Каждый спутник с закрепленной на нем заготовкой имеет свой код, по которому при установке на ОЦ заготовка идентифицируется и вызывается соответствующая управляющая программа. Перед началом и в процессе обработки производится контроль целостности инструмента и фиксируется продолжительность его фактической работы. При достижении каждым инструментом периода его расчетной стойкости он заменяется дублером из магазина. Модуль позволяет осуществить обработку большой номенклатуры заготовок в режиме безлюдной технологии во вторую и третью смены.
Наибольший эффект от применения гибких производственных модулей достигается при объединении нескольких модулей в едином гибком производственном комплексе.
501
502
ГИБКИЙ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ КОМПЛЕКС (ГПК)
Гибкий производственный комплекс (ГПК.) — это гибкая производственная система, состоящая из нескольких гибких производственных модулей, объединенных автоматизированными системой управления и транспортно-складской системой, автономно функционирующая в течение заданного интервала времени и имеющая возможность встраивания в систему более высокой ступени автоматизации (ГОСТ 26228—64).
Система автоматического управления с помощью ЭВМ распределяет работу между отдельными станками комплекса, направляя заготовки по наивыгоднейшим потокам. При этом может быть назначена одновременная обработка нескольких мелких партий заготовок независимо друг от друга. Осуществляя непрерывный учет загрузки станков, ЭВМ (на основе сопоставления их работы за несколько дней) сама совершенствует программы загрузки станков, повышая ее равномерность, Накапливая информацию от датчиков об отказах одного из станков, ЭВМ распределяет его работу между другими модулями, входящими в комплекс. Для перехода на об-, работку новой заготовки достаточно ввести управляющую программу последней в память ЭВМ или, если эта программа уже введена в память ЭВМ, указать с пульта управления ее шифр. На это требуется не более 25 с.
Гибкая автоматизированная трансгортно-складская система (АТСС) играет роль регулятора процесса, т. е. своеобразной «узловой станции», через которую проходит заготовка, и может быть послана (с паузами или без них) на любой станок комплекса и в любой последовательности. При этом тележка-робот может переносить заготовку со станка на станок, минуя склад. Склад может быть поставлен между линиями станков с ячейками «на просвет». Тогда роботы-штабелеры перемещаются по обеим сторонам склада, забирая заготовки из всех ячеек, куда они поступают со стоящих поблизости станков. Перемещения заготовок в одном направлении по ходу расположения линии станков (как в обычных автоматических линиях) в ГПК не требуется и заготовка может несколько раз возвращаться на один и тот же станок, повышая степень его загрузки и улучшая его использование.
Автоматизированная система инструментального обеспечения (АСИО), располагающая достаточным запасом инструментов, следящая за состоянием режущего инструмента на станках и осуществляющая'своевременную замену отдельных затупившихся или сломанных инструментов или целых инструментальных магазинов, освобождает от необходимости создания на отдельных станках больших и громоздких инструментальных магазинов, повышающих стоимость и снижающих точность станков. Надежность работы ГПК в большой мере зависит от четкости функционирования АСИО.
Большое значение для надежности ГПК имеет функционирование системы удаления стружки, задача которой отнюдь не ограничивается транспортированием стружки из зоны ГПК. Устройства
503
этой системы должны обеспечивать полное удаление стружки из зоны обработки заготовок и тщательную очистку базовых поверхностей приспособлений и плит-спутников, исключая опасность возникновения погрешностей установки заготовок, вызывающих появление брака.
На рис. 16.4 приведена схема построения гибкого автоматизированного производственного комплекса для обработки корпусных заготовок, работающего на машиностроительных заводах с 1980 г. и позволившего повысить коэффициент загрузки оборудования с 0,4 до 0,85, коэффициент сменности с 1,6 до двух-трех и получить общий экономический эффект более 200 000 руб, В комплексе заняты два обрабатывающих центра СМ-400 с накопителями и устройствами автоматической подачи спутников. Система инструментального обеспечения располагает 260 единицами инструмента. На комплексе ежемесячно производится 60 установок заготовок. Управление осуществляется ЭВМ М6000 9-го комплекта.
На других машиностроительных заводах с 1980 г. успешно используется гибкий технологический комплекс АСК-10 для обработки 32-х наименований корпусных заготовок с размерами 750 х 600 х X 600 мм из серого чугуна в количестве 10 000 шт. в год. Комплекс, управляемый ЭВМ, состоит из шести обрабатывающих центров, продольно-фрезерного станка для подготовки баз, координатноизмерительной машины, координатно-разметочной машины и автоматизированной транспортно-складской системы. Участок имеет свое отделение комплектации приспособлений и инструментальное отделение, Режимы резания регулируются по программе. Смена инструмента занимает 6—8 с. Время «от реза до реза» не превосходит 20—25 с.
Для обработки заготовок вращения успешно используются ГПК: АСВ-20, АСВ-21, АСВ-22 и АСВ-30, управляемые ЭВМ и включающие в свой состав от четырех до 16 станков с ЧПУ.
Большой интерес представляет гибкий производственный комплекс АПП-3-2, предназначенный для обработки 50 наименований корпусных заготовок в количестве 6600 шт. в год. Размеры рабочей поверхности спутника для установки закрепления заготовки составляют 360 X 360 мм. Комплекс включает в себя четыре пятикоординатных обрабатывающих центра СМ630 0 4,4, три шестикоординатных обрабатывающих центра СМ400 0 4,5 и один пяти координатный станок с ЧПУ для глубокого сверления СГ400 0 4,5.
Подача обрабатываемых заготовок на станки комплекса осуществляется автоматически из стеллажа-накопителя спутников с помощью штабелера автоматизированной транспортно-складской системы и загрузчиков, имеющихся возле станков комплекса. Другой штабелер осуществляет подачу спутников с установленными на них заготовками с позиции ручной загрузки на спутники в автоматизированный стеллаж-накопитель спутников и затем — подачу обработанных заготовок на спутниках из автоматизированного стеллажа-накопителя спутников на позицию их разгрузки и на позицию контроля.
504
505
।
Подача инструмента в магазины станков из автоматизированного элеваторного склада и удаление из станков изношенного, поломанного или ненужного по заданной программе инструмента осуществляется тремя автоматическими роботами-автооператорами системы инструментального обеспечения. Этим обеспечивается сокращение затрат времени на переход для обработки заготовок другого наименования до 25 с. В системе инструментального обеспечения комплекса размещается 1200 единиц инструментов.
В состав ГПК также входят: автоматизированный склад заготовок с накопителем и отделением комплектации заготовок, отделение наладки инструментов и приспособлений вне станков и контрольное отделение с измерительными машинами для окончательного контроля обработанных заготовок, а также система автоматизированного удаления стружки от станков комплекса.
Управление работой гибкого автоматизированного комплекса со всеми его системами осуществляет управляющий вычислительный комплекс (УВК) с ЭВМ СМ2М, вынесенный в отдельное помещение.
Эффективность работы гибкого технологического комплекса АЛП-3-2 в сравнении с обработкой одинакового количества заготовок на отдельно работающих обрабатывающих центрах и на универсальных станках выражается данными, приведенными в табл. 16.1.
Таблица 16.1 f
Эффективность применения гибкого производственного комплекса АЛП-3-2 при двухсменной работе
Показатель	Универсальные станки	Оборудование	
		Обрабатывающие центры с ЧПУ	ГПК АЛП-3-2
Количество рабочих-станоччиков	90	13	4
Количество транспортных рабочих, опера-	3	10	2
торов по загрузке, разгрузке н подготовке оснастки Количество мастеров и контролеров	17	14	8
Количество наладчиков оборудования и	—	13	8
систем ЧПУ Количество инженеров, технологов, вы-	—	20	18
числителей, программистов Всего работающих (производственный и	115	70	40
обслуживающий персонал) Средний коэффициент сменности оборудо-	1,3	1,6	2
вания Коэффициент загрузки станков	0,4	0,6	0,85-0,90
Производственный цикл обработки зато-	45	9	4
товки (дни) Цикл подготовки производства (месяцы)	15	9	6
При переходе на трехсменную работу эффективность ГПК еще больше возрастает, потому что для его обслуживания в ночную смену потребуется всего три человека.
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1 t -t>
Значения Ф (t) = —4=- ! е 2 dt
/2л J
t	ф (/)	t	Ф (П	1	Ф (/)	i	Ф (П
0,00	0,0000	0,31	0,1217	0,72	0,2642	1,80	0,4641
0,01	0,0040	0,32	0,1255	0,74	0,2703	1,85	0,4678
0,02	0,0080	0,33	0,1293	0,76	0,2764	1,90	0,4713
0,03	0,0120	0,34	0,1331	0,78	0,2823	1,95	0,4744
0,04	0,0160	0,35	0,1368	0,80	0,2881	2,00	0,4772
0,05	0,0199						
		0,36	0.1406	0,82	0,2939	2,10	0,4821
0,06	0,0239	0.37	0.1443	0,84	0.2995	2,20	0,4861
0,07	0,0279	0,38	0,1480	0,86	0 3051	2,30	0,4893
0,08	0,0319	0,39	0.1517	0,88	0,3106	2,40	0 4918
0,09	0,0359	0,40	0,1554	0,90	0 3159	2,50	0,4938
0,10	0,0398						
		0,41	0,1591	0,92	0,3212	2,60	0,4953
0,11	0,0438	0,42	0,1628	0,94	0,3264	2,70	0,4965
0,12	0,0478	0,43	0,1654	0,96	0,3315	2,80	0,4974
0,13	0,0517	0,44	0,1700	0,98	0,3365	2,90	0,4981
0,14	0,0557	0,45	0,1736	1,00	0,3413	3,00	0,49865
0,15	0,0596 1					—	—
		0,46	0,1772	1,05	0,3531		
0,16	0,0636	0,47	0,1808	1,10	0,3643	3,20	0,49931
0,17	0,0675	0,48	0,1844	1,15	0,3749	3,40	0,49966
0,18	0,0714	0,49	0,1879	1,20	0,3849	3,60	0,499841
0,19	00753	0,50	0,1915	1,25	0,3944	3,80	0,499928
0,20	0,0793			—	—	4,00	0,499968
		0,52	0,1985				
0,21	0,0832	0,54	0,2054	1,30	0,4032	4,50	0,499997
0,22	0,0871	0,56	0,2123	1,35	0,4115	5,00	0,49999997
0,23	0,0910	0,58	0,2190	1,40	0,4192	—	—
0,24	0,0948	0,60	0,2257	1,45	0,4265	—	—
0,25	0,0987	—	—	1,50	0,4332	—	—
	1 '	‘1							
0,26	0,1026	0 62	0,2324	1,55	0,4394			—
0,27	0,1064	0,64	0,2369	1,60	0,4452	—	—
0 28	0,1103	0,66	0,2454	1,65	0,4505	—.	
0,29	0,1141	0,68	0,2517	1 70	,	0,4554	—	—
0,30	0,1179	0,70	0,2580	1,75	0,4599	—	—
—	—					—	—
						—	——
							
507
Приложение 2
Нормированный интегральный закон распределения t
с линейной функцией а (/); Ф (4i.	— J Ф (4i, Ю
о
						ф (‘а- М			
		ха = 6	ха = ю	ха = 25		Ха = з	Ха=б	ха = 1°	Ха = 25
0,00	0,0000	0,0000	0,0000	0,0000	1,55	4415	4468	4492	4485
0,05	0166	0150	0146	0145	1,60	4489	4562	4607	4627
0,10	0332	0304	0293	0289	1,65	4555	4646	4707	4762
0,15	0498	0451	0439	0434	1.70	4616	4719	4791	4873
0,20	0664	0601	0586	0579	1,75	0,4670	0,4781	0,4558	0,4948
0,25	0,0830	0,0751	0,0732	0,0723	1,80	4719	4833	4908	4985
0,30	0995	0901	0879	0868	1,85	4762	4875	4944	4997
0,35	1161	1052	1025	1013	1,90	4800	4908	4992	0,5000
0,40	1325	1202	1172	1157	1,95	4833	4535	4983	—-
0,45	1489	1352	1318	1302	2,00	0,4861	0,4954	0,4991	—
0,50	0,1652	0,1502	0,1465	0,1447	2,05	4886	4969	4996	——
0,55	1815	1653	161'	1592	2,10	4906	4979	4998	—
0,60	1976	1803	1758	1736	2,15	4924	0,4987	4999	—
0,65	2136	1953	1904	1881	2,20	4939	4992	0,5000	—
0,70	2295	2103	2051	2026	2,25	0,4951	4995	—	—
0,75	0,2451	0,2253	0,2197	0,2170	2,30	4961	0,4997	—-	—
0,80	2605	2403	2344	2315	2,35	4969	4998	—	—
0,85	2757	2554	2490	2460	2,40	4976	4999	—	—
0,90	2906	2703	2637	2604	2,45	4982	4999	—	—
0,95	3032	2853	2783	2749	2,50	0,4986	0,5000	—	—
1,00	0,3194	0,3002	0,2930	0,2894	2,55	4989	—	—	—
1,05	3333	315!	3076	3038	2,60	4992	—	—	—-
1,10	3466	3299	3223	3183	2,65	4994	—	—	—
1,15	3595	3445	3369	3328	2,70	4995	—	—	—
1,20	3719	3589	3515	3472	2,75	0,4997	—	—	.—
1,25	0,3837	0,3731	0,3662	0,3617	2,80	4998	—	—	—
1,30	3949	3869	3807	3762	2,85	4998	—	—	—
1,35	4055	4003	3952	3906	2,90	4999	—	—	—.
1,40	4155	4130	4094	4051	2,95	1999	—	—	—
1,45	4248	4251	4234	4196	3,00	4999		—	—
1,50	0,4335	0,4364	0,4367	0,4340	3,10	0,5000	—	—	—
Приложение 3
t Р
Функция распределения нормированного закона Релея Ф (/) = j /е 2 dt о
t	0,00	0,01	0,02	0,03	0,04	0,05	0,06	0,07	0,08	0,09
0,0	0,0000	0001	0002	0005	0008	0013	0018	0024	0032	0040
0,1	0050	0060	0072	0084	0098	0112	0127	0143	0161	0179
0,2	0198	0218	0239	0261	0284	0308	0332	0358	0384	0412
0,3	0440	0469	0499	0530	0562	0594	0628	0662	0690	0732
508
Продолжение прнлож. 3
t	0,00	0,01	0,02	0,03	0,04	0,05	0,06	0,07	0,08	0,09
0,4	0769	0806	0844	0883	0923	0963	1004	1046	1088	1131
0,5	0,1175	1220	1265	1310	1357	1404	1451	1499	1548	1598
0,6	1647	1698	1749	1800	1852	1904	1957	2010	2064	2118
0,7	2173	2228	2283	2339	2395	2452	2508	2566	2623	2661
0,8	2739	2797	2855	2914	2973	3032	3091	3151	3211	3270
0,9	3330	3390	3450	3511	3571	3632	3692	3753	3813	3874
1,0	0,3935	3995	4056	4117	4177	4238	4298	4359	4419	4479
1,1	4539	4599	4659	4719	4779	4838	4897	4956	5015	5074
1,2	5132	5191	5249	5307	5364	5422	5479	5536	5592	5649
1,3	5704	5760	5815	5871	5925	5980	6034	6088	6141	6194
1,4	6247	6299	6351	6403	6454	6505	6555	6608	6655	6705
1,5	0,6753	6802	6850	6898	6945	6992	7038	7084	7130	7175
1,6	7220	6898	7308	7351	7394	7437	7479	7520	7562	7602
1,7	7643	7682	7722	7761	7799	7837	7875	7912	7949	7985
1,8	8021	8056	8092	8126	8160	8194	8227	8260	8292	8324
1,9	8355	8386	8417	8447	8477	8506	8535	8564	8592	8619
2,0	0,8647	8674	8700	8726	8752	8777	8802	8826	8851	8874
2,1	8898	8920	8943	8965	8987	9009	9030	9051	9071	9091
2,2	9111	9130	9149	9168	9186	9204	9222	9240	9257	9274
2,3	9290	9306	9322	9338	9353	9368	9383	9397	9411	9425
2,4	9439	9452	9465	9478	9490	9503	9515	9527	9538	9550
2,5	0,9561	9572	9582	9583	9603	9613	9623	9632	9641	9651
2,6	9660	9668	9677	9685	9693	9702	9709	9717	9724	9732
2,7	9739	9746	9753	9760	9766	9772	9778	9784	9790	9796
2,8	9802	9807	9813	9818	9823	9829	9833	9837	9842	9846
2,9	9851	9855	9859	9863	9867	9871	9875	9878	9882	9885
3,0	0,9889	9892	9896	9899	9902	9905	9907	9910	9913	9916
3,1	9918	9921	9923	9925	9928	9930	9932	9934	9936	9938
3,2	9940	9942	9944	9946	9947	9949	9951	9952	9954	9955
3,3	9957	9958	9960	9961	9962	9963	9965	9966	9967	9968
3,4	9969	9970	9971	9972	9973	9974	9975	9976	9976	9977
3,5	9978	9979	9980	9980	9981	9982	9982	9983	9984	9984
Г	Ф W	t	Ф «)	t	Ф (/)
3,60—3,61	0,9985	3,70—3,72	0,9990	3,87-3,92	0,9995
3,62—3,63	0,9986	3,73—3,75	0,9991	3,93—3,98	0,9996
3,64—3,65	0,9987	3,76—3,78	0,9992	3,99—4,07	0,9997
3,66—3,67	0,9988	3,79-3,82	0,9993	4,08—4,19	0,9998
3,68-3,69	0,9989	3,83—3,86	0,9994	4,20—4,44	0,9999
50?
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Балакшин Б. С. Основы технологии машиностроения. М.: Машиностроение, 1969. 559 с.
?. Евстигнеев М. И., Подзей А. В., Сулима А. М. Технология производства двигателей летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1982. 260 с.
3. Егоров М. Е., Дементьев В. И., Дмитриев В. Л. Технология машиностроения. М.: Высшая школа, 1976. 534 с.
4. Косилова А. Г., Мещеряков Р. К-, Калинин М. А. Точность обработки, заготовки и припуски в машиностроении: Справ, технолога. М.: Машиностроение, 1976. 288 с. 5. Митрофанов С. П. Групповая технология машиностроительного производства. Л.: Машиностроение, 1983. Т. 1 404 с. Т. 2 376 с.
6.	Новиков М. П. Основы технологии сборки машин н механизмов. М.: Машиностроение, 1980. 592 с.
7.	Общемашиностроительные нормативы времени вспомогательного на обслуживание рабочего места и подготовительно-заключительного для технического нормирования станочных работ. Серийное производство. М.: Машиностроение, 1974, 136 с.
8.	Общемашиностроительные нормативы времени на слесарную обработку и слесарно-сборочные работы по сборке машин. Серийное производство. М.: Машиностроение, 1968. 219 с.
9.	Общемашиностроительные нормативы режимов резання для технического нормирования работ на металлорежущих станках М.: Машиностроение, 1974. Ч. 1 416 с. Ч. 2 200 с.
10.	Основы технологии машиностроения/Под ред. В. С. Корсакова. М.: Машиностроение, 1977. 416 с.
11,	Расчеты экономической эффективности новей техники: Справ./Под ред. Л. М. Великанова. Л.: Машиностроение, 1975. 430 с.
J2. Сборка и монтаж изделий машиностроения: Справ./Под ред. В. С. Корсакова, В. К. 3 а м я т и н а. М.: Машиностроение, 1983. Т.1 480 с.
13. Справочник технолога-машиностроителя./Под ред. А. Г Косиловой н Р. К Мещерякова. М.: Машиностроение, 1972. Т. 1 694 с.
14. Технология машиностроения (специальная часть)/Б. Л. Беспалов, Л. А. Глейзер, И. М. Колесов и др. М.: Машиностроение, 1973. 447 с. 15. Технология турбиностроения/В. В. Березкин, В. С. Писаренко, С. Ю. Михаэль, Л. А. Бенин. Л.: Машиностроение, 1980. 720 с.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ........................................................... 3
Введение............................................................... 5
ЧАСТЬ I
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ
Глава 1. Производство машин ........................................... Ц
§1.1. Машина как объект производства .................................. —
§ 1.2, Технологическая подготовка производства ....................... 18
§ 1 3. Технологическая характеристика различных типов производства ...	22
Глава 2. Погрешности механической обработки и методы их расчета . .	26
§2.1.	Точность в машиностроении и методы ее достижения................ —
§ 2.2.	Систематические погрешности обработки.......................... 31
§ 2.3.	Случайные погрешности обработки..............................   45
Глава 3. Влияние технологической системы на точность и производительность обработки................................................... 74
§3.1.	Влияние жесткости н податливости технологической системы на формирование погрешностей обработки....................................... —
§ 3.2.	Влияние динамики технологической системы на погрешности формы и волнистость обработанной поверхности................................ 90
§ 3.3.	Погрешности многоинструментальной и многошпиндельнон обработки 104
Глава 4. Обеспечение точности механической обработки ................ 106
§4.1. Методы настройки станков и расчеты настроечных размеров, погрешностей настройки и режимов резания ............................... —
§ 4 2. Управление точностью обработки ............................... 118
Глава 5. Технологические размерные расчеты........................... 126
§5.1. Виды размерных цепей и методы их расчета ........................ —
| 5.2. Метод полной взаимозаменяемости............................... 130
§ 5.3. Метод неполной взаимозаменяемости............................. 136
Глава 6. Базирование и базы в машиностроении ........................ 143
§6.1.	Базы и опорные точки ........................................... —
| 6.2. Конструкторские, измерительные и технологические базы......... 163
§ 6.3.	Назначение технологических баз...............................  175
Глава 7. Влияние технологии обработки на формирование поверхностного слоя и эксплуатационные качества деталей машин . . .	193
§ 7.1,	Строение поверхностного слоя металла............................ —
§ 7.2.	Пластическая деформация, упрочнение и разупрочнение металла ...	201
§ 7.3.	Влияние механической обработки на состояние поверхностного елся заготовки............................................................ 213
§7.4	Шероховатость поверхности ..................................... 222
Глава 8. Технологические методы повышения эксплуатациегных свойств деталей машин......................................................   237
§8.1. Влияние шероховатости и состояния поверхностного слоя на эксплуатационные свойства деталей машин ............................. —
§ 8.2.	Технологическая наследственность ............................. 248
Глава 9. Припуски на механическую обработку ......................... 253
§9.1.	Классификация припусков на обработку ........................... —
§ 9.2.	Расчет припусков на механическую обработку ................... 259
511
Глава 10. Производительность и экономичность технологических процессов ............................................................. 265
§ 10.1.	Производительность и себестоимость обработки.................. —
§ 10.2.	Основы технического нормирования............................ 271
§ 10.3,	Методы расчета экономичности вариантов технологических процессов 281
ЧАСТЬ II
ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАШИН
Глава 11. Построение технологических процессов и операций н исходные данные для их проектирования ................................... 292
§ 11.1.	Классификация технологических процессов и структура операций —
§ 11.2.	Исходные данные для проектирования технологических процессов механической обработки и их уточнение .............................. 306
Глава 12. Проектчрование единичных н унифицированных технологических процессов обработки заготовок.................................. 319
§ 12.1,	Проектирование единичных технологических процессов............ —
§ 12.2.	Проектирование типовых и групповых технологических процессов 338
Глава 13. Технологические процессы массового производства.......... ЗЕ6
§ 13.1.	Особенности технологических процессов массового производства. .	—
§ 13.2.	Примеры построения технологических операций обработки заготовок на автоматических линиях ....................................... 366
Глава 14. Особенности построения технологических процессов обработки заготовок на станках с программным управлением...................... 380
§ 14.1.	Область применения и технологические возможности станков с программным управлением ................................................. —
§ 14.2.	Технологическая подготовка обработки заготовок на станках с ЧПУ 399
§ 14.3.	Проектирование технологических процессов механической обработки заготовок на станках с ЧПУ......................................... 411
§ 14.4.	Особенности построения технологии обработки заготовок на обрабатывающих центрах.................................................. 426
Глава 15. Технология сборки машин .................................. 437
§ 15.1.	Характеристика сборочных процессов.........................
§ 15.2.	Размерные расчеты сборочных процессов ...................... 44'
§ 15.3.	Проектирование технологических процессов сборки............. 450
§ 15.4.	Автоматизация сборочных работ .............................. 480
Глава 16. Направления дальнейшего развития технологии машиностроения ...................................................... .	491
§ 16.1.	Авт< матизаиия единичного, мелкосерийного и серийного типов прои-родства.......................................................
§ 16.	2. Со- .-ние гибкого автоматизированного	производства......... 497
Приложения ......................................................... 507
Список литературы................................................... 510
ИЗДАТЕЛ1 *1 ВО ,А1АШИНОСТ₽ОЕНИ£