Технические науки/3. Отраслевое машиностроение

К.т.н. Жуков Э. Л.

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, Россия

К.т.н. Любомудров С. А.

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, Россия

К.т.н. Макарова Т. А.

Санкт-Петербургский государственный экономический университет, Россия

Экспериментальная оценка количественных значений

составляющих погрешности при токарной обработке

Экономисты еще в прошлом веке подсчитали, что производство, характеризующееся высоким уровнем автоматизации и большим количеством реализуемых контрольных функций, позволяет обеспечить добавочную прибыль в размере 9% [1] за счет частичного высвобождения обслуживающего персонала и повышения производительности труда. Расчет основан на предположении, что в течение всего времени работы изготовляются детали требуемого качества и в заданном количестве.

Повысить точность обработки и производительность труда, сократить вмешательство оператора в ход технологического процесса обработки партии деталей можно, в частности, при помощи грамотно выбранных средств контроля при автоматизации технологического процесса.

Известно, что любое средство контроля при дискретном характере получения измерительной информации и дискретном управлении может компенсировать только часть составляющих погрешности обработки. Поэтому перед выбором типа контроля необходимо знать не только составляющие погрешности на качественном уровне, но и их количественное соотношение.

Разнообразие средств контроля и методов получения измерительной информации заставило представлять каждую составляющую погрешности обработки условно состоящей из двух частей: систематической и случайной.

Однако одна и та же погрешность при использовании разных схем и методов контроля может быть либо случайной, либо систематической. Например, изменение размера от детали к детали из-за колебания припуска для системы контроля, получающей измерительную информацию только о диаметре обработанной детали, будет являться случайной погрешностью и вносить дополнительную погрешность при управлении точностью обработки. Но, изменив метод получения измерительной информации путем включения дополнительных измерений диаметра заготовки перед обработкой и обработав полученную информацию, можно исключить эту (при иных способах контроля – случайную) величину путем определения деформации технологической системы в результате изменения глубины резания и дополнительно учитывать ее при коррекции положения элементов станка [2].

Целесообразность применения средств контроля при автоматизации процесса определяется наличием сравнительно больших систематических составляющих погрешности обработки. При этом точность регулирования в значительной мере определяется влиянием случайных составляющих.

Первостепенное значение при этом отводится основным причинам возникновения составляющих погрешности при токарной обработке. Главные из них: погрешности позиционирования станка, настройки инструмента, износа режущего инструмента, погрешности из-за тепловых деформаций станка, детали, инструмента; погрешности, возникающие вследствие действия сил резания. Здесь не рассматриваются погрешности, возникающие в результате базирования и закрепления детали, из-за несовершенства технологического процесса, связанного с выбором режимов резания, маршрута обработки деталей и т.п., так как большая часть этих погрешностей может быть снижена или устранена полностью при проектировании технологического процесса.

В связи с тем, что в процесс обработки деталей в условиях автоматизации входит контроль, в погрешность обработки добавляются составляющие, связанные с погрешностью измерения и управления. Величина и количество этих составляющих зависят от применяемой схемы контроля, условий ее эксплуатации, алгоритма управления. В погрешность контроля всегда входит погрешность применяемой измерительной системы. Кроме того, могут входить несколько составляющих погрешности обработки, которые возникают либо в момент настройки станка, либо в процессе обработки партии деталей. Причем ряд составляющих как бы налагается второй раз из-за контроля и даже третий – из-за управления [3]. Таким образом, контроль в процессе обработки вносит дополнительные составляющие погрешности, не устраняя при этом ряда других составляющих, что снижает эффект его применения.

Специфика обработки деталей в условиях комплексной автоматизации мелкосерийного и серийного производства заключается в том, что, во-первых, происходит частая смена номенклатуры деталей, партии которых, как правило, невелики; во-вторых, обработка ведется разными инструментами и при различных режимах обработки. Это приводит как к качественному, так и к количественному изменению состава погрешности при обработке партии деталей. Поэтому применение средств контроля, которые предназначены для устранения некоторого количества составляющих погрешности обработки, может оказаться неэффективным при смене партии обрабатываемых деталей.

Развитие автоматизированных производств, нуждающихся в средствах контроля, и вышеуказанные их недостатки привели к необходимости проанализировать существующие схемы контроля с точки зрения их возможностей устранения погрешностей; а также определить количественные соотношения между отдельными составляющими погрешности обработки.

В задачу исследований составляющих погрешности входило их одновременное определение, т.е. исследование их в таких условиях, в которых работают системы контроля.

С целью одновременного определения ряда составляющих погрешности в процессе обработки деталей типа тел вращения на кафедре «Технология машиностроения» СПбГПУ была создана макетная установка на базе токарного станка, позволяющая определять наряду с погрешностью обработки следующие ее составляющие: тепловые деформации режущего инструмента и его износ, положение режущей кромки резца до и после обработки, отклонение суппорта в момент врезания, во время обработки и в момент выхода резца из детали [4]. Кроме того, при обработке измеряются составляющие силы резания.

На рис. 1 показан пример распределения погрешности обработки и ее составляющих при точении на установке колец из стали 40Х диаметром 140 мм на глубину 0,3 мм резцом Т15К6 при скорости резания 180 м/мин и подаче 0,07 мм/об. Деталь крепится в оправке.

Макетная установка с использованием цифровых измерительных систем и ЭВМ дает возможность определять взаимосвязи между погрешностью обработки и составляющими погрешности, между отдельными составляющими погрешности.

Рис. 1. Кривые распределения погрешности обработки и ее составляющих при чистовом точении колец: разброса диаметров (а), тепловых

деформаций резца (б), размерного износа резца (в), положения режущей кромки резца (г), изменения составляющей силы резания (д) и отжатия

от детали поперечного суппорта с резцом во время обработки (е)

Проведенные эксперименты показали, что доминирующими составляющими погрешности обработки партии деталей являются износ и температурные деформации резца; каждая составляющая имеет как систематически изменяющуюся величину, так и случайную составляющую. При этом соотношение случайной и систематической составляющих меняется от условий обработки. Изменение размера детали, как правило, происходит из-за воздействия двух вышеуказанных факторов. Систематические составляющие износа и температурной деформации алгебраически складываются при влиянии на диаметры обработанных деталей, случайные составляющие тоже складываются, но по законам случайных величин, и если их сумма составляет малую долю от суммы систематических погрешностей, то применение контроля при автоматизации является эффективным. В тех случаях, когда случайные составляющие оказываются большими, чем систематические, применение ниже рассмотренных средств является проблематичным [5].

Анализ проведенных исследований показал:

1. Существует тесная связь между изменением диаметра деталей в партии и суммой доминирующих погрешностей обработки. Коэффициент корреляции колеблется в пределах 0,5-0,8.

2. Коэффициент корреляции между изменением диаметра деталей в партии и износом составляет приблизительно 0,6, а между изменением диаметра и тепловыми деформациями режущего инструмента – 0,4, следовательно, попытки управлять процессом обработки по одной из доминирующих составляющих могут резко снизить точность обработки за счет нескомпенсированности другой составляющей. Как показали эксперименты, подобные средства контроля снижают точность процесса.

3. Установлено, что связь погрешности обработки с составляющими силами резания и величиной отжатия от детали поперечного суппорта с резцом во время обработки обычно слабая (чаще всего коэффициент корреляции не превышает 0,4). Поэтому при чистовой обработке деталей на токарном станке не всегда можно достичь высокой точности, управляя изменением составляющих сил резания или изменением положения элементов станка во время обработки.

4. Не установлено стабильной зависимости между положением режущей кромки перед обработкой и размерами детали (коэффициент корреляции колебался в пределах 0,8-0,3).

Литература

1. How to jistify installing GMS. – Production Engineer, 1982, v. 61, N 4. Р. 30-32.

2. Чижевский А.Б. Точность токарной обработки на робототехническом комплексе: Диссертация канд. техн. наук. – Л., 1983. – 224 с.

3. Яманака X., Кидзухиса М. Повышение функциональных возможностей токарных станков с числовым программным управлением на основе разработки периферийных технических средств. – Ое кикай когаку, 1982, вып. 23, № 9, с. 2-9.

4. Анухин В.И., Любомудров С.А., Макарова Т.А. Система Автоматической стабилизации размеров при токарной обработке партии деталей. Сборник научных трудов СПбГТУ № 504. «Машиностроение», 2004.

5. Анухин В.И, Макарова Т.А. Опыт использования управляющего контроля при обработке на токарных станках с ЧПУ. Управление качеством: проблемы, исследования, опыт. Сборник научных трудов. Вып. 6. – СПб.: СПбГИЭУ, 2009 – 319 с.