автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Метод выявления требований к геометрической точности станочного оборудования, исходя из требований к точности изготовляемых деталей

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ "СТАНКИН"

На правах рукописи

ЛУЦКЖ СВЕТЛАНА ВИКТОРОВНА

МЕТОД ВЫЯВЛЕНИЯ ТРЕБОВАНИЙ К ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ТОЧНОСТИ СТАНОЧНОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ИСХОДЯ ИЗ ТРЕБОВАНИЙ К ТОЧНОСТИ ИЗГОТОВЛЯЕМЫХ ДЕТАЛЕЙ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель-доктор технических наук, профессор

И.М. Колесов

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение......................................................................................5

Глава 1. Современное состояние вопроса.Цель и задачи исследования.........7

1.1. Обоснование актуальности темы работы..................................7

1.2. Цель и задачи исследования................................................19

Глава 2. Выявление исходных данных для предъявления требований к станку типа ОЦ............................................................................20

2.1. Служебное назначение, геометрические характеристики и требования к точности изготовляемых изделий........................20

2.2. Система координат станка типа ОЦ, используемая для определения источников погрешностей обработки.............................24

2.3. Анализ компоновок горизонтальных многоцелевых станков

с ЧПУ.............................................................................27

2.4. Влияние способа осуществления раб^Ш:но^а^ На точность обрабатываемых отверстий в заготовке..................................34

2.5. Выводы по второй главе......................................................42

Глава 3. Подход к оценке соосности отверстий корпуса..........................44

3.1. Выявление способа оценки соосности отверстий в корпусной детали............................................................................44

3.2. Совокупное влияние отклонений собственно диаметральных размеров, формы поверхностей, относительных поворотов и смещения осей отверстий на диаметр вписываемой идеальной цилиндрической оправки....................................................49

3.2.1. Оценка влияния отклонений при направлении относительных поворотов осей отверстий по часовой стрелке.......49

3.2.2. Оценка влияния отклонений при направлении относительных поворотов осей отверстий против часовой стрелки...................................................................57

3.3. Выводы по третьей главе....................................................63

Глава 4. Аналитические связи между отклонениями и причины их происхождения в вертикальной плоскости сечения корпуса.....................64

4.1. Влияние поворота направления подачи шпинделя на относительный поворот и смещение осей отверстий корпуса................64

4.2. Происхождение отклонений при обработке соосных

отверстий........................................................................71

4.2.1. Отклонения собственно диаметральных размеров..............73

4.2.2. Отклонения формы поверхности отверстия......................73

4.2.3. Отклонение относительного смещения осей

отверстий................................................................73

4.2.4. Отклонения относительных поворотов осей

отверстий................................................................80

4.3. Причины возникновения погрешностей при обработке перпендикулярных отверстий...............................................82

4.3.1. Отклонения собственно диаметральных размеров и

формы поверхностей отверстий....................................84

4.3.2. Относительное смещение осей отверстий........................84

4.3.3. Отклонения относительных поворотов осей

отверстий................................................................86

4.4. Выводы по четвертой главе.................................................86

Глава 5. Аналитические связи между отклонениями и причины их происхождения в горизонтальной плоскости корпуса............................88

5.1. Причины возникновения отклонений от соосности при обработке заготовок с центральным расположением отверстий..................88

5.1.1. Смещение осей отверстий относительно их номинального положения............................................98

5.1.2. Относительное смещение осей отверстий при обработке центрально расположенных отверстий...........................102

5.1.3. Повороты осей отверстий относительно номинального положения..............................................................105

5.2. Причины образования отклонений от соосности при обработке заготовок с произвольно размещенными отверстиями...............109

5.2.1. Смещение осей отверстий относительно номинального положения при обработке заготовок с произвольно размещенными отверстиями.......................................115

5.2.2. Относительное смещение осей отверстий.......................121

5.3. Причины возникновения отклонений от перпендикулярности

осей отверстий................................................................123

3

5.4. Выводы по пятой главе.....................................................125

Глава 6. Переход от требуемых показателей точности корпусных деталей к геометрической точности станочного оборудования на примере станка типа ОЦ....................................................................................129

6.1. Параллельные связи между показателями геометрической точности станка...........................................................................129

6.2. Подход к назначению допусков..........................................132

6.3. Переход от допусков,ограничивающих отклонения показателей точности деталей к допускам, ограничивающим отклонения геометрических параметров станка......................................136

6.4. Последовательность назначения допусков.............................141

6.5. Предъявление требований к точности геометрических показателей станка типа ОЦ, исходя из требуемой точности заданной группы деталей.........................................................................147

6.6. Обоснование возможности замены конической воображаемой оправки на цилиндрическую при оценке соосности отверстий в корпусной детали............................................................155

6.7. Состав и последовательность действий, определяющие основные этапы метода перехода от требований к точности изготовляемых деталей к точности геометрических показателей станка...........................................................157

6.8. Выводы по шестой главе...................................................159

Общие выводы по работе............................................................161

Список литературы....................................................................163

Приложение.............................................................................167

ВТЗТ7 Я Т7 ГТ Т/Г

ХУ X 1 XX и

Ещё с момента зарождения станкостроения известно, что все отклонения геометрического характера в станке прямо или косвенно переносятся на изготовляемые детали. Зависимость точности обработки от геометрических погрешностей станка изучается и ныне. Однако все нормы геометрической точности станков устанавливаются на основе статистических данных или опыта конструкторов, поскольку метод обоснования технических требований к станку отсутствует. Поэтому существует необходимость в разработке метода перехода от требований, предъявляемых к точности деталей, к геометрической точности станка, на котором они будут изготовляться.

В качестве объекта исследования был выбран наиболее распространен-ПЫИ шгшГОЦСлСиОИ фр€3€ рно-расточной станок типа ОЦ ("Обрабатывающий центр"). Анализ конструкций и технических условий на изготовление корпусных деталей коробчатой формы определил, что при обработке заготовок особое внимание уделяется соосным и перпендикулярным отверстиям.

К сожалению, существующие методы оценки точности деталей далеко не всегда позволяют учесть количественные связи между отклонениями и получить результат, близкий к тому, как эти отклонения проявятся в процессе сборки изделия. Для оценки соосных и перпендикулярных отверстий необходимо учесть отклонения диаметральных размеров, формы поверхностей отверстий, относительные повороты и смещение их осей.

Разработка метода предъявления требований к геометрической точности станка в строгом соответствии с его служебным назначением находится в начальной стадии, что определяет актуальность выбранной темы исследования.

В настоящей работе изложены результаты теоретических и практических исследований, связанных с разработкой метода, позволяющего перейти от требеумых показателей точности корпусных деталей к геометрической точности станочного оборудования на примере станка типа ОЦ.

Автор выносит на защиту следующие результаты работы:

1. Раскрытие аналитических связей между отклонениями собственно диаметральных размеров и формы поверхностей отверстий, относительного смещения и поворота их осей в определении соосности и перпендикулярности отверстий в корпусных деталях;

2. Выявлены причины возникновения этих отклонений;

3. Разработка метода перехода от требований к точности изготовляемых деталей к требованиям точности геометрических показателей станка

Результаты расчетов допусков, проведенные по разработанному методу, показали возможность аналитического перехода от показателей требуемой точности деталей, подлежащих изготовлению, к показателям геометрической точности станка. В части обеспечения соосности отверстий в корпусных деталях избранной группы, полученные результаты оказались сопоставимыми с требованиями, обеспечиваемыми современным производством станков.

Глава 1. Современное состояние вопроса. Цель и задачи

исследования. 1.1. Обоснование актуальности темы работы.

Любая машина, так же как ее сборочные единицы и детали, должны создаваться в строгом соответствии с их служебным назначением .Эта идея была высказана Б. С. Балакшиным и явилась определяющей основой в его трудах, связанных с проектированием машин и технологии их изготовления. Под служебным назначением Б.С.Балакшин понимал четко сформулированную и максимально уточненную задачу, для решения которой создается машина [1].

Важность правильности формулировки задачи и глубины се уточнения объясняется тем, что любые допущенные в формулировке неточности или упущения приводят к некачественной, а возможно и неработоспособной машине.

Кафедра "Технология машиностроения" СТАНКИНа, придавая особую важность этому вопросу, в 1967 разработала подход к формулированию служебного назначения и методологию построения машины в соответствии с ее назначением. Основные положения этих разработок были изложены И.М.Колесовым [26,27].

В формулировке служебного назначения машины, прежде всего, отражается общая задача, для решения которой она создается. Далее следует расшифровка задачи, конкретизирующая свойства продукции, для выпуска которой создается машина, объем выпуска продукции, данные об исходном продукте, сведения о технологическом процессе изготовления продукции и условиях, в которых должен осуществляться технологический процесс, требования к производительности, долговечности и надежности машины и так далее, вплоть до требований к ее внешнему виду.

Формулировка служебного назначения машины является исходным документом в работе конструкторов и технологов, создающих машину.Все

решения, принимаемые одними и другими, должны быть нацелены на обеспечение соответствия создаваемой машины своему назначению.

К сожалению, далеко не всегда конструкторы машин понимают важность этого положения. Об этом можно судить по литературе, относящейся к конструированию машин. Учебники, монографии конструкторского направления, методики отдельных расчетов, излагая обширный накопленный опыт, обычно не содержат методов перехода от показателей служебного назначения машины к требованиям, которые должны быть предъявлены к конструкции машины в целом и ее элементам .

В частности, в настоящее время отсутствует метод предъявления требований к геометрической точности машины, что особо важно для станочного оборудования. Все нормы геометрической точности станков устанавливаются на основе статистических данных или опыта конструктора [43].

Нельзя отрицать того, что конструкторы уделяют большое внимание обеспечению требуемого качества станков. Например, в работе [23] рекомендуется учитывать специфику конструирования металлорежущего оборудования, обусловленную монотонностью процесса обработки в длительном временном интервале и достаточно высокой точностью обрабатываемых поверхностей. На основании этого, приводятся следующие рекомендации, направленные на достижение требуемой точности изделий, осуществление которых необходимо обеспечить на стадии проектирования :

1)выбор компоновки станка, обеспечивающей минимальное воздействие возмущений станка на метрологические базы системы измерения ;

2)максимализация совпадения (приближения) точки измерения с вершиной режущей кромки инструмента;

3)применение кинематических звеньев, обладающих высокой жесткостью и демпфирующими свойствами, а также минимальным трением в стыках перемещающихся узлов;

4)создание быстродействующей системы управления с учетом условий

допустимого запаздывания коррекции размера;

5)обеспечение акустической защищенности станка;

6)обеспечение виброизоляции станка от фундамента;

7)очистка зоны резания;

8)применение тепловыравнивающих и теплостабилизирующих устройств;

9)использование загрузочно-разгрузочных устройств, исключающих деформацию заготовки при установке и снятии, ее дополнительный нагрев, а так же повреждение базовой и обработанной поверхностей;

10)изготовление базовых деталей станка из материалов, обладающих высокими демпфирующими свойствами, максимальным отношением модуля упругости к плотности, низким температурным коэффициентом расширения, а так же обеспечивающих высокую стабильность размеров и формы во времени.

Общие требования, предъявляемые к станкам с ЧПУ, были сформулированы [ 60] в следующих пунктах :

1) при дискретности системы управления 1 мкм уменьшение погрешности позиционирования до 3-5 мкм и повторяемости до 1,5 - 2 мкм ;

2) обеспечение индексирования углового перемещения поворотных столов с погрешностью менее 3";

3) снижение радиального и осевого биения шпинделя до 2-3 мкм;

4) обеспечение избыточной температуры нагрева опор шпинделей менее 10°-12° С при повышении частоты вращения шпинделя до 4000 -5000 об./мин.;

5) повышение точности и долговечности подшипников шпинделей;

6) повышение статической и динамической жесткости элементов и механизмов станка при увеличении мощности привода главного движения до 70 кВт, повышении быстродействия приводов подач и увеличении скоростей холостых ходов при установке электродвигателя непосредственно на ходовой винт ;

7) снижение инертности перемещающихся рабочих органов станка;

8) возможно более высокие частоты собственных колебаний деталей и механизмов станка;

9) длительное сохранение установленных точностных параметров станка в течение заданного периода эксплуатации станка с ЧПУ.

Говоря о качестве станка в целом, необходимо охарактеризовать меру влияния различных факторов на точность изготовляемых деталей. Такие факторы можно условно разделить на несколько основных групп :

- геометрические погрешности;

- кинематические погрешности;

- факторы динамического характера, к которым относятся упругие перемещения, тепловые деформации, погрешности, возникающие вследствие износа оборудования и т.д.

Изучая конструкторский подход к этому вопросу, можно отметить большое внимание, уделяемое кинематическим погрешностям. Разнообразны методы повышения качества станков - это рациональные компоновки станков, конструкции основных базовых деталей [43,58] и зажимных механизмов [25,38], применение в приводах подач высокомоментных электродвигателей постоянного тока, беззазорные и имеющие высокий КПД механизмы, направляющие с малыми потерями на трение, компенсация отдельных погрешностей станка предыскажением программы управления и т.д. [43,48,51,60].

Пути реализации такого обширного комплекта требований к технологическим возможностям станков широко представлены в современной литературе [2,3,6,20,24,28,46,50,58,59,65 и др.]. На основании изученных источников можно сделать вывод о том, что требования к станочному оборудованию и отдельным базовым деталям сильно возросли. При этом все более отчетливо стало проявляться воздействие каждого метода повышения качества станка на ряд его показателей (табл. 1.1.).

Табл. 1.1» Взаимосвязь характеристик при введении нового метода повышения качества станка.

Методы повышения качества. Характеристики качества станка

кинематическ. точность и констр. свойства жесткость устойчивость к температуря. воздействию виброустойчивость износостойкость

Введение новых материалов базовых конструкций: -полимербетоны и др. -высокопрочные чугуны с глобулярным графитом, твердые сплавы „ + + +■ +

Изменение компоновки станка: -введение дополнительных стоек; -вынесение источников тепла в верхнюю часть станка. + +- + +

Введение новых смол, масел, СОЖ . + + +

Введение новых покрытий на базовые детали. + + +

Введение новых методов обработки базовых деталей. + +- +

Введение новых подшипников скольжения с жидкостным и газовым трением. + + +

Геометрическая точность станка достигается в процессе его изготовления и в результате его статической настройки на обеспечение точности формы и относительного положения обрабатываемых поверхностей заготовок. Все отклонения геометрического характера в станках прямо или косвенно переносятся на изготовляемые детали. Поэтому изучение влияния собственной точности станка на точность