Обработка отверстий жестко закрепленным инструментом с направлением

Позиционное отклонение оси отверстия определяется двумя слагаемыми: геометриче­ским смещением ∆_г оси инструмента и упруги­ми смещениями ∆_у в технологической системе (рис. 40):

∆_см = ∆_г + ∆_у.    (1)

Геометрическое смещение оси инструмента зависит от зазора в сопряжении инстру­мент - сменная втулка, от смещения осей шпинделя и постоянной втулки, радиального биения инструмента и других причин. Геоме­трическое смещение оси (см. рис. 40,б) дости­гает наибольшего значения в концевом сече­нии инструмента:

,    (2)

где l_х — длина вылета инструмента за торец втулки, мм; l_вт — длина направляющей втулки, мм; n₁ — коэффициент, учитывающий влияние на смещение инструмента зазора в сопряжении постоянной и сменной втулок и эксцен­триситета последней; принимают n₁ = 1,1 — для сверления и зенкерования; n₁ = 1,2 — для развертывания.

Начальный зазор S₁ определяется выбран­ной посадкой сопряжения (табл. 5). Под влия­нием обратной конусности инструмента зазор S₁ увеличивается при переточках за период полного износа инструмента и по длине рабоче­го хода при каждом рабочем цикле. Обратная конусность инструмента регламентирована (табл. 6); запас длины l_п инструмента на пере­точку можно ориентировочно принимать по табл. 7.

Упругие отжатия ∆_у в технологической си­стеме происходят под влиянием неуравновешенных сил, возникающих при снятии неравномерного (эксцентричного) припуска (см. рис. 40,г). Неравномерность припуска на обработку обусловлена тем, что ось О₁ отверстия заготовки, установленной для обработки в данной позиции, не совпадает с осью О₂ инструмента. Изменение глубины резания при одном обороте шпинделя от t₁ до t₂ (неравномерность припуска) равно удвоенной величине смещения осей О₁ и О₂: t₁ — t₂ = ∆Z;

,    (3)

где ∆_пр — смещение оси отверстия заготовки относительно технологических баз, оставшееся после предшествующего технологического перехода (для первого перехода обработки это погрешность, имеющаяся у заготовки); ∆_р — отклонения размеров между осью шпин­деля и базовыми элементами позиции (см. раз­меры р_х, р_у, р на рис. 38); ∆ε_у — погрешность установки заготовки для обработки.

На ∆_у влияет упругое отжатие ∆_уи инстру­мента, а влияние упругого отжатая ∆_ук кон­дукторной плиты учитывают коэффициентом n₂. Для типовых кондукторных плит агре­гатных станков с жесткостью j = (6 ÷ 8)10⁴ Н/мм коэффициент n₂ = 1,4 ÷ 1,2. При этом

∆_y = n₂∆_yи     (4)

Упругое отжатие ∆_уи инструмента опреде­ляют из условий изгиба инструмента под дей­ствием неуравновешенных сил — радиальной ∆Р_r и тангенциальной ∆Р_τ. Рассчитывают рав­нодействующую ∆Р_R неуравновешенных сил, действующих в диаметральной  плоскости: . Действие осевых сил Р_ос и ∆P_ос учитывают коэффициентом n₃. По рас­четной оценке n₃ = 1,38 ÷ 1,42. Упругое отжа­тие (мм) инструмента в концевом сечении

,    (5)

где EI — изгибная жесткость инструмента; Е, Па; I = cd⁴; d - диаметр инструмента, мм. Экспериментальный коэффициент с: 0,011 для сверл; 0,026 для разверток; 0,018 для зенкеров с числом зубьев k = 3; 0,023 для зенкеров с k = 4.

Вектор равнодействующей ∆Р_R неуравнове­шенных сил расположен под углом а = 41÷45º к плоскости смещения припуска, а вектор отжатия ∆_уи практически совпадает с его направлением. Рассматривая каждый зуб осевого инструмента как расточной резец, по зависимостям теории резания для одного зуба определяют силы:

(для противоположного зуба при снятии не­равномерного припуска вместо t₁ принимают t₂), где t — глубина резания; s_k — подача на зуб; НВ — твердость обрабатываемого мате­риала; х₁, х₂, y₁, у₂, n₁ и n₂ - показатели сте­пени; с_1общ и с_2общ — коэффициенты, завися­щие от условий резания и геометрических параметров инструмента.

Приняв определенное число k зубьев ин­струмента и рассматривая мгновенное поло­жение режущих зубьев в процессе обработки относительно зоны максимальной неравно­мерности ∆Z припуска, находят неуравнове­шенные радиальные ∆Р_r и тангенциальные ∆Р_τ силы, а по ним — равнодействующую неуравновешенных сил:

Обозначим

Подставляя значение ∆Z из (3), определим

Упругое отжатие ∆_у технологической системы получим, подставляя в (4) и (5) значение ∆Р_R

Позиционное отклонение оси отверстия, опре­деляемое как сумма геометрического (2) и упругого (4) и (5) смещений,

или, с учетом значения ∆Р_R по (8),

Удельное значение ∆_г и ∆_у в позиционном от­клонении ∆_см изменяется в больших пределах. При чистовом развертывании отверстий боль­шого диаметра (30—50 мм) ∆_г достигает 80-85% ∆_см, а при черновом зенкеровании от­верстий диаметром 10—18 мм доминирующее значение приобретает ∆_у (до 50—60%); при этом структурная погрешность достигает 15-20%.

При расчете конструктивно-технологиче­ских параметров рабочей позиции определяют величины, входящие в (11). Исходными для расчета служат твердость материала заготов­ки и отклонения соответствующих размеров (определяется погрешность ∆_пр предшествую­щего перехода). Выбирают инструментальную наладку, для которой известны его изгибная жесткость EI и число зубьев k. Назначают ре­жимы резания и определяют коэффициент С_R; выбирают l_вт, l_x, определяют зазор S₁. Зная коэффициент n₁ по (2) определяют ∆_г.

Если в данной позиции предусмотрена одновременная обработка других отверстий, то определяют структурную погрешность. При известных отклонениях размеров заготов­ки можно определить число технологических переходов, необходимых для обеспечения за­данных чертежом требований точности распо­ложения осей отверстий. Для нахождения по­следнего n-го перехода, при котором должно соблюдаться условие ∆_см(n)≤ ∆_см.доп, в (11) подставляют ∆_пр = ∆_{см.заг.доп.} и определяют смещение оси ∆_см(1) на первом переходе; при подстановке ∆_пр = ∆_см(1) определяют ∆_см(2) на втором переходе и так до получения ∆_см(n) ≤ ∆_см.доп. Если число переходов чрезмерно ве­лико, то следует ужесточить условия обработ­ки по переходам (уменьшить зазор S₁ и по­грешность установки ∆ε_у, сократить число одновременно работающих инструментов, по­высить требования к точности и стабильности механических свойств заготовки и т д.). Необ­ходимое число переходов и можно ориенти­ровочно определить, пользуясь эксперимен­тальными коэффициентами уменьшения пози­ционных отклонений оси отверстия по перехо­дам (табл. 8). Позиционное отклонение на последнем n-м переходе при обработке литых отверстий

и при обработке отверстий в сплошном метал­ле

где ∆_см.св — позиционное отклонение оси при сверлении отверстия; k_y(i) - коэффициенты уменьшения смещения оси отверстия на i-м переходе.

Используя (11), можно решать и обратные задачи — назначать требования ко всем пара­метрам точности на взаимосвязанных техно­логических переходах, исходя из требуемой точности ∆_см.доп по чертежу. Так, допустимая погрешность предшествующего перехода

Аналогично определяют допустимую погреш­ность ∆ε_у установки заготовок и погрешность ∆_р параметра преемственности технологически связанных позиций. Параметры точности стан­ка и оснастки достаточно стабильны во вре­мени, и, как правило, назначаются их пре­дельные отклонения; обычно ∆_р.доп = ±0,03 ÷ ±0,05 мм (для чистовых и черновых по­зиций соответственно); погрешность уста­новки не должна превышать ∆ε_у.доп = 0,05 ÷ 0,1 мм.

Точностные расчеты выполняют для вновь проектируемого технологического процесса и для действующих агрегатных станков и ав­томатических линий. На проектной стадии, ис­пользуя (1) и (2) и приняв ∆_см = ∆_см.доп, выби­рают конструктивно-технологические пара­метры минимальную длину сменной кондук­торной втулки и наибольший допустимый зазор S₁ между сменной втулкой и инструмен­том. Используя (9), выбирают параметры ре­жущего инструмента (длину наладки, диаметр, число зубьев и т. д.). В эксплуатационных ус­ловиях необходимо ограничить влияние изно­са кондукторных втулок и установочных эле­ментов приспособления на точность обра­ботки.

Геометрическое смещение оси инструмента в изношенной втулке [с учетом (2)] примет вид

Величина h учитывает фактический износ кондукторной втулки для определенного мо­мента времени или приравнивается к допусти­мой, требуемой точностью обработки.

При изношенной втулке

Допустимый износ втулки определяют с уче­том (14) и (15):

Допустимый зазор между сменной втулкой и инструментом

Для ориентировочных расчетов применима табл. 9.

Возрастание погрешности базировании за­готовок, связанное с износом элементов бази­рования приспособления, при обработке от­верстий в разных позициях приводит к непос­редственному увеличению отклонения распо­ложения осей отверстий относительно друг друга и от баз. Но оно влияет и на упругое смещение ∆_у как составляющее величины ∆Z [см. рис. 40 и (3)]. При установке заготовки в рабочих позициях автоматических линий на выдвижные фиксаторы на погрешность бази­рования влияет суммарный зазор двух сопря­жений: заготовки (верхняя часть фиксатора) и направляющей втулки механизма фиксации (нижняя часть фиксатора). При многократной фиксации заготовки последовательно в неко­торых рабочих позициях наблюдается измене­ние начального зазора посадки вследствие из­носа и увеличения базовых отверстий.

Фактическая погрешность установки заго­товок возрастает во времени под влиянием из­носа верхних участков фиксаторов и износа в парах направляющая втулка — фиксатор.

Фактическая погрешность ∆ε_у.ф установки заготовки в позиции включает фактическую погрешность базирования заготовки ∆ε_б.ф и отклонение зазора в фиксаторах ε_л, т. е.

где ∆ε_б.т - расчетная (теоретическая) погреш­ность базирования; коэффициент k_д учитывает увеличение базовых отверстий заготовки в процессе многократной фиксации; k_ф — износ фиксаторов на участках базирования; k_л - зазор в нижней части фиксаторов.

По экспериментальным данным можно принимать следующие значения коэффициен­тов:

В табл. 10 для ориентировочных расчетов приведены наибольшие отклонения ε_ф и ε_л фиксаторов для обеспечения позиционного от­клонения ∆_см.

Соосность отверстий. Соосные отверстия обрабатывают на агрегатных станках и авто­матических линиях по двум схемам — с двух сторон и с одной стороны (рис. 41).

При обработке соосных отверстий с двух сторон (рис. 41, а) отклонение от соосности определяется влиянием позиционных отклоне­ний ∆_см(1) первого и ∆_см(2) второго отверстий, отклонением, вносимым рабочей позицией, и от расстояния между отверстиями не зави­сит. Позиционные отклонения каждой из осей (11) суммируют как векторы. Угловое расположение векторов ^–∆_см(1) и ^–∆_см(2) зависит от смещения припуска на обработку ∆Z₁ первого и ∆Z₂ второго отверстий. Основные случаи смещения припусков на обработку и схемы действия сил представлены на рис. 42.

Отклонение от соосности ∆_нс', вызванное позиционным отклонением осей отверстий, может быть определено методом векторного суммирования. Для первого случая отклонение от соосности, вызванное позиционными откло­нениями осей отверстий,

Определив аналогично отклонения от соос­ности для остальных случаев и подставив в выражения а₁ = а₂ = 45°, получим:

для первого и четвертого случаев

Ожидаемое отклонение от соосности при обработке заготовки с двух сторон для наибо­лее вероятного  случая направления позиционных отклонений ∆_{см(l, 2)} осей обрабаты­ваемых отверстий с учетом погрешности ∆_п вносимой отклонением от соосности по­стоянных кондукторных втулок станка (рабо­чей позиции АЛ),

Экспериментальные данные, характеризую­щие отклонения от соосности при обработке отверстий в сплошном металле и отливках, приведены в табл. 11.

Для ориентировочных расчетов при разра­ботке технологических процессов можно ис­пользовать экспериментальный коэффициент k_y.нс уменьшения отклонений от соосности при многопереходной обработке отверстий: k_y.нс = ∆_нс(i)/∆_нс(i-1). Где ∆_нс(i) и ∆_нс(i-1) - отклонения от соосности отверстий соответственно на рассматриваемом и предшествую­щем переходах обработки (табл. 12). Исходя из допуска соосности в радиусном выражении по чертежу детали и зная коэффициенты k_y.ис по каждому переходу, можно назначить допу­ски соосности отверстий по всем технологиче­ским переходам обработки вплоть до исходной заготовки. Может решаться также и обратная задача — определение необходимо­го числа переходов обработки исходя из допу­ска соосности у детали и у заготовки.

При обработке соосных отверстий с одной стороны для обоих вариантов направления ин­струмента (см. рис. 41, б и в) ожидаемое откло­нение от соосности

где ∆_нс.г.и – отклонение вследствии геометрического смещения инструмента при за­зорах между сменными втулками и инстру­ментом; ∆_нс.у.и — отклонение вследствие уп­ругих отжатий режущего инструмента; ∆_нс.с - погрешность, вызванная отклонением от соосности осей сменных втулок.

Геометрическое смещение (перекос) инструмента при зазорах S_{1 (1)} и S_{1 (2)} между втулка­ми и инструментом и упругие отжатия инстру­мента зависят от неуравновешенных сил ∆P_R(1) и ∆P_R(2) возникающих при снятии нерав­номерных припусков в первом и втором отвер­стиях. Геометрическое смещение зависит от зазоров S₁₍₁₎ и S₁₍₂₎ и расстояний между обрабатываемыми отверстиями и торцами втулок.

Упругое сжатие инструмента определяют расчетом при известных условиях обработки (значениях и точках приложения сил, вылетах инструментов и т. д.). Погрешность ∆_нс.с опре­деляют как разность отжатий инструмента в средних сечениях обоих отверстий. Разнона­правленное действие сил вызывает большее отклонение от соосности (случай 4 на рис. 42).

Погрешность ∆_нс.с зависит от несовпадения осей постоянных втулок в собранном приспо­соблении (под влиянием погрешностей раста­чивания и сборки, а также разностенности вту­лок) и смещения оси сменной втулки в результате ее разностенности и зазора по­садки в постоянной втулке.

В табл. 12 и 14 для ориентировочных рас­четов приведены экспериментальные данные, характеризующие влияние неравномерности припуска на обработку и зазора на отклонение от соосности отверстий при зенкеровании с одной и с двух сторон.

При обеих разновидностях односторонней схемы обработки точность расположения со­осных отверстий существенно зависит от зазо­ра между сменными втулками и инструментом (большему зазору соответствуют большие от­клонения от соосности) и от неравномерности распределения припуска по сторонам обра­батываемых отверстий. При односторонней обработке с увеличением расстояния между отверстиями отклонение от соосности суще­ственно возрастает особенно при переднем и заднем направлениях инструмента, что объясняется снижением жесткости инструмен­тальной наладки.

Как для двусторонней, так и для односто­ронней схем обработки характерно существен­ное возрастание отклонения от соосности с увеличением зазора между втулками и инструментом. При обработке соосных отвер­стий с одной стороны геометрическое смеще­ние инструмента при зазорах между втулками и инструментом меньше (особенно при пере­днем и заднем направлениях инструмента), а следовательно, меньше и отклонение от со­осности, чем при обработке с двух сторон; эту схему целесообразно применять на чистовых переходах обработки.

При любой схеме обработки соосных от­верстий, когда инструмент направляется в кон­дукторных втулках, для уменьшения отклоне­ния от соосности следует уменьшать зазор между сменными втулками и инструментом; уменьшать вылеты инструментов и отклоне­ния от соосности направляющих втулок; обеспечивать равномерное распределение припу­сков по сторонам обрабатываемых отверстий. При обработке отверстий с двух сторон от­клонение от соосности не зависит от расстоя­ния между отверстиями.

Двусторонняя обработка соосных отвер­стий выполняется с коротким циклом и не требует использования специального инстру­мента. Ее используют при черновой обработке соосных отверстии любых диаметров, а также при чистовой обработке отверстий диаметром d < 18 мм, расположенных друг от друга на расстоянии, большем шести-семи диаметров. В этом случае обеспечивается более высокая точность расположения отверстий, чем при односторонней обработке, вследствие повы­шенной жесткости инструментальной наладки.

Межосевое расстояние отверстий. Отклоне­ние межосевых расстояний отверстий:

при обработке в одной позиции

при обработке в разных позициях

где ∆_см(1) и ∆_см(2) - позиционные отклонения осей отверстий (соответственно первого и второго), рассчитываемые по (11); ∆_{мо.р.у.н} — отклонение межосевого расстояния узла направления; ∆ε_у1 и ∆ε_у2 — погрешности установки при обработке соответственно первого и второго отверстий; ∆_р(1) и ∆_р(2) — отклонение размеров между осью шпинделя и базовыми элементами позиций. Погрешности ∆ε_{y(l, 2)} и ∆_{р(1, 2)} следует определять с учетом расположения рассмат­риваемых отверстий.

Отклонение межосевого расстояния узла направления

где ∆_к.обр — отклонение межосевого расстоя­ния отверстий, расточенных в кондукторной плите (погрешность обработки отверстий в кондукторе); отверстия в кондукторных плитах под постоянные втулки обычно об­рабатываются на координатно-расточных станках с точностью ∆_к.обр = ±0,01 мм; k₁ — коэффициент, учитывающий изменение межосевого расстояния в кондукторной плите от деформаций при запрессовке постоянных втулок; k₁ = 1,25 ÷ 1,7 (для больших меж­осевых расстояний следует принимать мень­шие значения коэффициента и наоборот); k₂ — коэффициент, учитывающий влияние экс­центричности наружной и внутренней поверх­ностей постоянных втулок; k₂ = 1,1 ÷ 1,3.

Так как при обработке отверстий в разных позициях наряду с позиционными отклонения­ми ∆_см(1) и ∆_см(2) осей обрабатываемых отвер­стий возникают дополнительные погрешности (погрешности установки ∆ε_у1, ∆ε_у2 и погрешности ∆_р(1), ∆р₍₂₎), то обработку отверстий с жесткими требованиями к точности межосевых расстояний (± 0,15 мм и выше) следует выполнять в одной позиции линии.

Экспериментальные данные по точности межосевых расстояний отверстий при обра­ботке на агрегатных станках и автоматических линиях (табл. 15) относятся к выполнению ка­ждого перехода обработки в одной позиции осевым инструментом, жестко скрепленным в шпинделе агрегатного станка и напра­вляемым по кондукторным втулкам стацио­нарных плит.

Значения коэффициента  уменьшения отклонения межосевою расстоя­ния отверстий по переходам (табл. 16) отно­сятся к обработке отверстия в сплошном ме­талле и в отливках. Коэффициенты могут быть использованы как ориентировочные при проектировании процессов многопереходной обработки отверстий, координированных до межосевому расстоянию.

Например, зная допустимое отклонение ∆_см.доп межосевого расстояния по чертежу де­тали, можно определить допустимое отклоне­ние межосевого расстояния отверстий после сверления:

или допустимое отклонение межосевого рас­стояния отверстий в отливке:

где  - произведение коэффициентов уменьшения отклонения ∆_мо.р по переходам обработки; n — число переходов. Табл. 17 и 18 свидетельствуют о влиянии неравномерности припуска и зазора между втулкой и инструментом на отклонение меж­осевого расстояния. Основным резервом повышения точности межосевых расстояний от­верстий является уменьшение зазоров между режущими инструментами и сменными втул­ками, неравномерности припусков на обработ­ку отверстий и вылетов инструментов за торцы втулок.