Точность станков с ЧПУ

Выходные параметры станка по показателю точности

При оценке качества и технического уровня станка в первую очередь необходимо уста­новить те выходные параметры, которые ха­рактеризуют его точность. При этом точность обработанных на станке деталей не может быть выбрана в качестве такого параметра, так как она является результатом влияния всех компонентов технологической системы (инстру­мента, заготовки и др.). Поэтому при проек­тировании станка надо установить и регла­ментировать те параметры, которые определяют точность обработки и являются входными для технологической системы (см. рис. 2.1).

Качество станка зависит от того, с какой степенью точности выполняются заложенные в технологическом процессе обработки взаимные перемещения инструмента и заготовки при воздействии на станок всего комплекса силовых и тепловых факторов. Поэтому основными вы­ходными параметрами станка как элемента технологической системы являются характе­ристики точности движения его формообразую­щих узлов.

Получать эти характеристики можно одним из следующих способов.

1.Оценивать те параметры траекторий формообразующих узлов станка, которые влия­ют на точность обработки. При этом траектории относятся к установочным базам станка, опре­деляющим положение приспособления, заготов­ки или инструмента.

2.Оценивать суммарное влияние парамет­ров траекторий рабочих органов станка на формирование так называемого «геометрическо­го образа» обработанной детали, когда опре­делены ее погрешности без учета влияния на точность других компонентов технологической системы.

Основная цель регламентации выходных па­раметров станка — создание такого технологи­ческого оборудования, погрешность работы ко­торого находилась бы в течение всего периода эксплуатации в пределах, установленных техно­логом.

Траектории формообразующих узлов, пара­метры которых устанавливают в качестве вы­ходных, относятся к специально выбранным опорным точкам, которые располагают на уста­новочных базах станка, определяющих поло­жение заготовки, приспособления или инстру­мента. Число опорных точек и их расположение связано с методом обработки, конструктивной схемой станка, характером движения его фор­мообразующих органов и методом крепления заготовки и инструмента.

Поскольку положение твердого тела в прост­ранстве определяют три фиксированные точки или параметры пространственного вектора, от­несенного к одной точке, то в общем виде необходимо установить шесть координат (нап­ример, три линейных и три угловых откло­нения вектора данной точки от заданного по­ложения). Однако при рассмотрении различных конструкций формообразующих узлов станка число этих характеристик может быть умень­шено, если отдельные отклонения не оказыва­ют существенного влияния (слагаемые второго порядка малости) на точность обработки.

Рис. 2.3. Опорные точки формообразующих узлов станка:
а — суппорт; б — стол; в — шпиндель

На рис. 2.3 показаны типичные случаи вы­бора опорных точек. Для характеристики точ­ностных параметров суппорта токарного станка достаточно одной опорной точки 1, совпадаю­щей с вершиной резца (рис. 2.3, а), поскольку целью при создании конструкции суппорта явля­ется стремление к обеспечению прямолиней­ной траектории для инструмента, которая не изменяет своей формы и положения при силовых воздействиях и различных положениях инструмента в рабочем пространстве. Траектория данной опорной точки будет служить характеристикой возможностей суппорта по об­работке заданной номенклатуры деталей с обес­печением точности размера, формы обработан­ной поверхности, волнистости, шероховатости и других показателей точности.

При движении стола с закрепленной на нем заготовкой (рис. 2.3, б) у фрезерных, расточ­ных, шлифовальных и других станков необ­ходимо оценить точность перемещения стола в пространстве. Положение заготовки или приспо­собления для ее закрепления определяется положением в пространстве плоскости стола. Поэтому в общем случае должны быть уста­новлены либо три опорные точки 1 , 2, 3, траекто­рии движения которых рассматривают, либо рассматривают вектор для одной из точек стола с характеристиками его положения в простран­стве в каждой точке траектории (три линей­ных и три угловых отклонения от заданного положения при пространственном перемещении стола).

Для шпиндельного узла (рис. 2.3, в) точность его вращения и изменение положения оси шпинделя связаны с геометрической погреш­ностью элементов узла, с силовыми и тепловы­ми деформациями. Все это влияет на положение инструмента или заготовки, установленной в шпинделе с помощью приспособления (патро­на, центра).

Когда положение патрона определяет плос­кость переднего торца шпинделя, три фик­сированные точки располагают на этой плос­кости или, что более целесообразно, опреде­ляют для точки, находящейся в центре шпин­деля, положение в пространстве вектора R, перпендикулярного к плоскости установочной базы. Характеристики траекторий опорных то­чек формообразующих узлов определяют качество станка с позиций возможного достиже­ния точности обработки и его вклада в суммар­ную погрешность обработки [5].

Рис. 2.4. Типичные ансамбли траекторий при посту­пательном движении рабочего органа станка

При осуществлении на станке различных технологических процессов (в соответствии с его назначением и степенью универсальности) траектории опорных точек проявляются как случайные функции и образуют совокупности (ансамбли) траекторий. Такие совокупности могут иметь различный вид, характеризующий статистическую природу явлений (например, с сильным или слабым перемешиванием реализа­ций или с другими особенностями). На рис. 2.4 показаны типичные совокупности траекторий при поступательном движении рабочих орга­нов станка (суппортов, столов, ползунов и др.).

Широкополосные ансамбли траекторий (рис.2.4, а) характерны для случая, когда основное влияние на форму траектории и ее смещение по отношению к средней линии или к непод­вижной оси координат оказывают внешние силовые воздействия. Узкополосные ансамбли траекторий (рис. 2.4, б) характерны при пре­валирующем влиянии геометрической погреш­ности направляющих, что и определяет форму кривой математического ожидания траекто­рий М_X. Дисперсия, связанная с силовыми воздействиями на узел, здесь играет второсте­пенную роль. Миграция совокупностей траекто­рий (рис. 2.4, в) вызвана, как правило, теп­ловыми деформациями узла.

Каждая реализация любой совокупности свя­зана с параметрами точности той конкретной детали, которую при этом обрабатывали, а характеристики всего ансамбля влияют на точ­ностные характеристики партии обработанных на станке деталей. Поэтому для каждой кон­кретной модели станка в зависимости от его назначения необходимо установить и регла­ментировать те параметры траекторий, которые определяют те или иные виды погрешностей, возникающие на обработанных поверхностях.

Как известно [6], погрешность обработки подразделяют на пять основных видов: погреш­ность размеров, отклонения расположения поверхностей, отклонения формы, отклонение параметров волнистости и шероховатости по­верхности.

При назначении номенклатуры параметров траекторий рабочих органов станка учитывает­ся их взаимосвязь с погрешностью обработ­ки, которая зависит от метода обработки и кинематики процесса формообразования.

На рис. 2.5 показаны типичные траектории при поступательном движении формообразую­щего узла станка. Их параметры (Х ₁, Х₂, ..., Х_п), определяющие соответствующую погреш­ность обработки, приведены в табл. 2.2. Эти параметры связаны с размером и формой обработанной поверхности, точностью взаимного положения поверхностей, волнистостью и шероховатостью поверхности.

2.2. Выходные параметры станка по показателю точности

Для вращательного движения характерна передача погрешностей траектории опорной точки шпинделя (ее формы и высокочастотных составляющих) на обработанную поверхность цилиндрической детали (рис. 2.6).

Для периодических кривых разложение траектории в ряд Фурье позволяет выделить те параметры, которые определяют форму, волнистость и шероховатость обработанных поверхностей при токарной, расточной, шлифовальной и других операциях.

Анализ траекторий целесообразно осуществлять, рассматривая отклонение текущего радиуса R от номинального R0 в полярной системе координат, и определять

где f(φ) — погрешность траектории в функции текущего угла φ.

Разложим данную функцию в ряд Фурье с ограниченным числом членов:

где Сk — амплитуда k-гармоники; φ —начальная фаза; n — порядковый номер высшей гармоники полинома. Согласно теории Фурье нулевой член Со разложения является средним значением функции f(φ) за период 2π:

поэтому Со определяет значение погрешности размера.

Рис. 2.5. Типичные виды реализаций траекторий при поступательном движении

Первый член разложения C1cos(φ+φ) выражает несовпадение центра вращения шпинделя в О' с геометрическим центром траекторий О, т. е. эксцентриситет е = ОО', что определяет погрешность в отклонении расположения обработанных цилиндрических поверхностей (рис. 2.6, б). Остальные члены ряда, начиная со второго, определяют характеристику формы, которую образуют траектории и которая непосредственно связана с формой обработанной детали (овальностью и огранкой).

Рис. 2.6. Форма поперечного сечения обработан­ной цилиндрической поверхности (а) и траектория движения опорной точки шпинделя (б):
1— форма поверхности; 2— волнистость; 3— шеро­ховатость; Rд — номинальный радиус обработан­ной детали

При выборе номенклатуры выходных параметров данной модели станка и установлении их допустимых значений необходимо учитывать следующее.

1.Чем выше класс точности станка и требования к точности обработанных поверхностей, тем большее число назначают выходных параметров (характеристик траекторий формообразующих узлов) станка.

2.Допустимые значения выходных параметров станка составляют часть соответствующего допуска на изготовление детали, поскольку погрешность обработки зависит от всех компонентов технологической системы.

3.Расчет доли суммарной погрешности, приходящейся на станок и другие компоненты технологической системы, осуществляется методами, применяемыми в технологии машиностроения для расчета точности обработки

[5].

В первом приближении можно принимать допустимое значение для выходного параметра станка как долю от соответствующего допуска на точность изготовления детали, равную 6 = 0,4...0,8, учитывая степень влияния других компонентов технологической системы и давая запас на возможное изменение параметров станка в процессе эксплуатации.

Для прецизионных станков значение k принимается большим, так как в этом случае станок играет основную роль в обеспечении точности обработки.

Точность является основным показателем станка, однако для оценки его технического уровня и полной характеристики его качества необходимо применять показатели, определяющие весь диапазон требований, предъявляемых к станку потребителем.