Точность механической обработки — это степень соответствия фактических геометрических параметров (размеров, формы и положения) обработанной детали её идеальным геометрическим параметрам. В процессе механической обработки погрешности неизбежны, но они должны оставаться в пределах допустимых значений. Путём анализа погрешностей можно выявить основные закономерности их изменения и, соответственно, принять меры по снижению погрешностей обработки и повышению точности механической обработки.
I. Основные причины погрешностей при механической обработке
(i) Погрешности вращения шпинделя
Погрешность вращения шпинделя — это отклонение между фактической мгновенной осью вращения шпинделя и его средней осью вращения. Основными причинами радиальных погрешностей вращения шпинделя являются: ошибки соосности шейков шпинделя, различные погрешности самих подшипников, ошибки соосности между подшипниками, прогиб шпинделя и т. д. Соответствующее повышение точности изготовления шпинделя и его корпуса, выбор высокоточных подшипников, улучшение точности сборки компонентов шпинделя, балансировка высокоскоростных компонентов шпинделя и предварительное натяжение подшипников качения — всё это позволяет повысить точность вращения шпинделя станка.
(ii) Погрешности направляющих
Направляющие служат эталоном для определения взаимного положения различных узлов станка, а также базой для движения станка. Требования к точности направляющих токарного станка в основном включают три аспекта: прямолинейность в горизонтальной плоскости; прямолинейность в вертикальной плоскости; и параллельность (скручивание) передней и задней направляющих. Помимо производственных погрешностей самих направляющих, неравномерный износ и качество монтажа направляющих также являются важными факторами, вызывающими погрешности направляющих.
(iii) Погрешности передаточной цепи
Погрешности передачи в передаточной цепи — это относительные погрешности движения между первым и последним звеньями внутренне связанной передаточной цепи. Погрешности передачи обусловлены производственными и сборочными погрешностями различных компонентов передаточной цепи, а также износом в процессе эксплуатации.
(iv) Геометрические погрешности инструмента
Любой инструмент в процессе резания неизбежно подвергается износу, что, в свою очередь, приводит к изменению размеров и формы обрабатываемой детали. Правильный выбор материалов инструмента, применение новых износостойких материалов, разумный выбор геометрических параметров инструмента и режимов резания, а также надлежащее использование смазочно-охлаждающей жидкости позволяют минимизировать износ размеров инструмента. При необходимости также могут использоваться компенсирующие устройства для автоматической компенсации износа размеров инструмента.
(v) Погрешности позиционирования
а) Погрешность несовпадения баз: На чертеже детали база, используемая для определения размеров и положения поверхности, называется проектной базой. На технологической карте база, используемая для определения размеров и положения обработанной поверхности после обработки, называется технологической базой. При обработке заготовки на станке необходимо выбрать определённые геометрические элементы заготовки в качестве установочных баз. Если выбранная установочная база не совпадает с проектной базой, возникает погрешность несовпадения баз.
б) Погрешность неточного изготовления пар установочных элементов: Установочные элементы приспособления невозможно изготовить с абсолютной точностью в соответствии с номинальными размерами; их фактические размеры (или положения) допускается отклоняться в пределах установленных допусков. Поверхность установки заготовки и установочные элементы приспособления вместе образуют пару установочных элементов. Максимальное отклонение положения заготовки, вызванное неточным изготовлением этой пары установочных элементов и зазорной посадкой между ними, называется погрешностью неточного изготовления пары установочных элементов.
(vi) Погрешности, вызванные деформацией технологической системы под действием сил
а) Жёсткость заготовки: В технологической системе, если жёсткость заготовки относительно невелика по сравнению с жёсткостью станка, инструмента и приспособления, то деформация заготовки из-за недостаточной жёсткости под действием сил резания будет оказывать довольно существенное влияние на точность обработки.
б) Жёсткость инструмента: Наружный токарный инструмент обладает высокой жёсткостью в направлении, перпендикулярном (y) обрабатываемой поверхности, и его деформацию можно пренебречь. При растачивании внутреннего отверстия малого диаметра расточной штангой обладает очень низкой жёсткостью, и её деформация под действием силы существенно влияет на точность обработки отверстия.
в) Жёсткость узлов станка: Узлы станка состоят из множества деталей. До сих пор не существует простого и подходящего метода расчёта жёсткости узлов станка; в настоящее время для измерения жёсткости узлов станка преимущественно применяются экспериментальные методы. Деформация не находится в линейной зависимости от нагрузки; кривая нагружения и кривая разгрузки не совпадают — кривая разгрузки отстаёт от кривой нагружения. Площадь, заключённая между этими двумя кривыми, соответствует энергии, рассеянной в процессе цикла нагружения–разгрузки, которая расходуется на работу трения и работу контактной деформации. После первого разгрузки деформация не возвращается в исходную точку первого нагружения, что свидетельствует о наличии остаточной деформации. После многократных циклов нагружения–разгрузки начальная точка кривой нагружения совпадает с конечной точкой кривой разгрузки, а остаточная деформация постепенно снижается до нуля.
(vii) Погрешности, вызванные термической деформацией технологической системы
Термическая деформация технологической системы оказывает относительно большое влияние на точность обработки. Особенно при прецизионной обработке и обработке крупногабаритных деталей погрешности обработки, вызванные термической деформацией, иногда могут составлять 50% от общей погрешности заготовки. Станки, инструменты и заготовки подвергаются воздействию различных источников тепла, вследствие чего их температура постепенно повышается. В то же время они отдают тепло окружающим материалам и пространству через различные механизмы теплопередачи.
(viii) Погрешности регулировки
На каждом этапе механической обработки необходимо проводить определённые регулировочные работы в технологической системе. Поскольку регулировка не может быть абсолютно точной, возникают регулировочные погрешности. В технологической системе взаимная позиционная точность заготовки и инструмента на станке обеспечивается путём регулировки станка, инструмента, приспособления или заготовки. Когда исходные точности станка, инструмента, приспособления и заготовки полностью соответствуют требованиям технологического процесса, а динамические факторы не учитываются, влияние регулировочных погрешностей играет решающую роль в точности обработки.
(ix) Погрешности измерений
При измерении деталей во время или после обработки метод измерения, точность измерительного инструмента, условия заготовки, а также субъективные и объективные факторы напрямую влияют на точность измерений.
II. Меры по повышению точности механической обработки
(i) Снижение исходных погрешностей
Непосредственное уменьшение исходных погрешностей включает в себя повышение геометрической точности станков, используемых для обработки деталей, улучшение точности приспособлений, измерительных инструментов и самих режущих инструментов, а также контроль деформации технологической системы под действием сил и тепла, износа инструмента, деформации, вызванной внутренними напряжениями, и погрешностей измерений. Для повышения точности обработки необходимо проанализировать различные исходные погрешности, вызывающие ошибки обработки, и принять соответствующие меры для устранения основных исходных погрешностей, вызывающих эти ошибки, в зависимости от конкретной ситуации. Для прецизионной обработки деталей следует максимально улучшить геометрическую точность, жёсткость и контроль термической деформации применяемых прецизионных станков. Для обработки деталей с формообразующими поверхностями основное внимание следует уделять снижению погрешности формы формообразующего инструмента и погрешности установки инструмента.
(ii) Метод компенсации погрешностей
Для некоторых исходных погрешностей в технологической системе можно применять методы компенсации погрешностей, чтобы ограничить их влияние на погрешности обработки деталей.
а) Метод компенсации погрешностей: Этот метод искусственно создаёт новую исходную погрешность, чтобы компенсировать или нейтрализовать присущие исходные погрешности оригинальной технологической системы, тем самым снижая погрешности обработки и повышая её точность.
б) Метод нейтрализации погрешностей: Этот метод использует один вид исходной погрешности для частичной или полной нейтрализации другой исходной погрешности либо другого вида исходной погрешности.
(iii) Дифференциация или выравнивание исходных погрешностей
Для повышения точности механической обработки партии деталей можно применять методы дифференциации отдельных исходных погрешностей. Для поверхностей деталей, требующих высокой точности обработки, также можно использовать метод постепенного выравнивания исходных погрешностей путем последовательных пробных проходов резания.
а) Метод дифференциации (группировки) исходных погрешностей: Исходя из закона отражения погрешностей, размеры заготовок или деталей предыдущей операции измеряются и разбиваются на n групп по размеру, при этом диапазон размеров каждой группы сокращается до 1/n от первоначального. Затем, в соответствии с диапазоном погрешностей каждой группы, отдельно регулируется точное положение инструмента относительно детали, чтобы центр диапазона рассеяния размеров каждой группы деталей был практически совпадающим, тем самым значительно уменьшая общий диапазон рассеяния размеров всей партии деталей.
б) Метод выравнивания исходных погрешностей: Этот процесс заключается в непрерывном уменьшении и усреднении исходных погрешностей на обрабатываемой поверхности в ходе механической обработки. Принцип выравнивания состоит в том, чтобы путем взаимного сравнения и контроля выявлять различия между близкими по расположению поверхностями детали или инструмента, а затем выполнять взаимную корректирующую обработку или эталонную обработку.
(iv) Перенос исходных погрешностей
Суть этого метода заключается в переносе исходных погрешностей из направления, чувствительного к погрешностям, в направление, нечувствительное к погрешностям. Степень, в которой различные исходные погрешности отражаются в погрешностях обработки деталей, напрямую зависит от того, находятся ли они в направлении, чувствительном к погрешностям. Если во время обработки принять меры по их переносу в направление, нечувствительное к погрешностям, то точность обработки можно значительно повысить. Перенос исходных погрешностей в другие аспекты, которые не влияют на точность обработки.
III. Заключение
В механической обработке погрешности неизбежны. Только проведя подробный анализ причин возникновения погрешностей, можно принять соответствующие превентивные меры для снижения погрешностей обработки и повышения точности механической обработки.
