Курсовая работа: Компенсация систематической погрешности при механической обработке

Введение

Машиностроение является ключевой отраслью промышленности, так как без использования его возможностей по изготовлению необходимых деталей, изделий, оборудования и т.п. не может обойтись ни одна другая отрасль. Ориентация отечественной промышленности на применение малооперационных, малоотходных и безотходных технологических процессов, на замену в отдельных случаях резания материалов более экономичными методами формообразования не исключают, однако, обработки резанием, которая является и на многие годы останется основным технологическим приемом изготовления деталей машин. Это связано, во-первых, с появлением новых материалов, трудно поддающихся обработке; во-вторых, с усложнением конструкционных форм деталей; в-третьих, с повышением требований к точности и качеству изготовления деталей; в четвертых, с возможностью гибкого управления обработкой резания в отличие от других методов.

Настоящее машиностроение характеризуется широким применением металлорежущих станков с числовым программным управлением и автоматизированных технологических комплексов, работающих по принципу "безлюдной технологии". Для изготовления режущих инструментов используются новые сверхтвердые композиционные материалы, синтетические и природные алмазы [16].

Развитие всех отраслей машиностроения, характеризуется непрерывным повышением требований к точности изготовления деталей и сборки изделий.

Не менее важной является задача повышения точности всех технологических операций. Повышение точности заготовок и повышение точности каждой из операций механической обработки, начиная с черновых, позволяет уменьшить количество ступеней обработки каждой из поверхностей детали (число операций), что дает экономию металла и снижение трудовых затрат. Следует также отметить, что повышение точности механической обработки детали сокращает трудоемкость сборки машин благодаря частичному или полному устранению пригоночных работ.

Сказанное выше указывает на необходимость уделять серьезное внимание вопросам точности на всех этапах создания изделия - при проектировании, при изготовлении его деталей, в процессе сборки и испытания.

1. Точность и погрешность

1.1 Определение точности и погрешности

Под точностью обработки детали понимают степень ее приближения или степень ее соответствия заранее установленному прототипу или образцу. Основной целью механической обработки является достижение заданных значений геометрических параметров. Поэтому можно сформулировать понятие точности обработки следующим образом. Точность обработки детали (точность обработки) - это степень соответствия действительных геометрических параметров детали заданным.

Количественной характеристикой точности служит погрешность обработки - степень или величина несоответствия действительных полученных при обработке детали геометрических параметров заданным. Различают погрешности: формы, размеров поверхностей, координирующих размеров и соотношений.

Все погрешности механической обработки подразделяются на два основных класса:

а) систематические погрешности;

б) случайные погрешности.

Под систематическими погрешностями понимаются погрешности, величина которых, момент появления и направление действия могут быть рассчитаны с применением различных зависимостей физики, химии, математики.

Все систематические погрешности подразделяются на две основные группы:

а) постоянные систематические погрешности;

б) переменные систематические погрешности.

Постоянные систематические погрешности сохраняются практически без изменений в течение всего хода технологического процесса или операции.

Переменные систематические погрешности - погрешности, которые закономерно изменяются в течение технологического процесса или операции.

Под случайными погрешностями понимают погрешности, которые не могут быть определены как по величине, по направлению, а также невозможно определить момент их появления.

Деление погрешностей на систематические и случайные условно. Одна и та же погрешность может в одних условиях обработки деталей рассматриваться как случайная, а в других условиях - как систематическая.

С методической точки зрения целесообразно также различать три категории точности: заданную, действительную и ожидаемую:

- заданная или требуемая точность регламентируется с помощью допусков, назначаемых конструктором на отдельные параметры детали или машины;

- действительная точность характеризуется погрешностью, которая может быть выявлена при измерении отдельных деталей;

- ожидаемая или расчетная - погрешностью, которую предположительно или на основании расчетов можно ожидать после обработки.

Следовательно, ожидаемая точность - это точность, которую рассчитывают получить у всех деталей, которые будут изготовлены по данному технологическому процессу, на данном приспособлении, данным инструментом. Она характеризуется величиной поля рассеяния щ заданного размера некоторой совокупности деталей (1) [19]:

(1)

где и - наибольший и наименьший действительные размеры в пределах совокупности детали.

1.2 Структура погрешности геометрических параметров

Для анализа точности обработки целесообразно классифицировать погрешности по источникам и причинам их возникновения (по «происхождению»). Такими причинами могут считаться заготовка, оборудование и оснастка, но целесообразнее в основу классификации положить физические явления, обусловливающие появление погрешностей: упругие деформации от действия сил резания, тепловые деформации, износ и т.д. Заданные по чертежу значения геометрических параметров могут выполняться либо прямо, непосредственно либо косвенно, через другие параметры процесса.

На рисунке 1 показана операция фрезерования паза с выдерживанием размера А₃ по схеме односторонней обработки [19].

Рисунок 1 - Схема образования операционной погрешности

Размер А₃ координирует обработанную поверхность (дно паза) относительно нижнего торца детали, являющегося базой. Вследствие воздействия различных факторов, связанных с методом обработки (упругие деформации узлов станка, износ инструмента и др.), обработанная поверхность у различных деталей партии будет занимать различное положение относительно базы обработки - станка в пределах поля щ_0i. Аналогично будет иметь место изменение положения базы (нижнего торца) у партии деталей за счет воздействия причин, связанных с установкой и базированием детали. На рисунке 1 показано поле этого колебания щ_yi.

Тогда операционная погрешность - погрешность размера А₃ будет равна (2):

, (2)

Последнее равенство является доказательством уравнения (3).

Для этого общего случая операционная погрешность может быть представлена состоящей из двух частей:

, (3)

При выполнении размеров по схеме двухсторонней обработки, а также для размеров между поверхностями, обрабатываемыми при одной установке, способ не будет влиять на точность таких размеров, т.е. . = 0. Для этого случая операционная погрешность = .

В свою очередь, каждая из составляющих и представляет собой сумму первичных или элементарных погрешностей соответственно обработки и установки. Первичной называют погрешность, обусловленную действием какого-либо (одного) производственного фактора, например, износа инструмента, тепловых деформаций детали и т.д.

Для наглядности на рисунке 2 изложенная классификация погрешностей представлена в виде схемы [19]:

1.3 Определение первичных погрешностей обработки

Определение первичных (элементарных) погрешностей обработки выполняется с целью получить качественные и количественные зависимости для оценки влияния основных производственных факторов на точность обработки, изыскать пути повышения точности обработки, получить исходные данные для определения расчетным путем результирующей (суммарной) операционной погрешности.

Рисунок 2 - Схема классификации погрешностей

Каждая из первичных погрешностей может быть определена аналитическими или экспериментальными методами. Наиболее достоверные результаты получаются при сочетании, совместном использовании обоих названных методов [19].

В реальных производственных условиях факторы, вызывающие появление погрешности обработки, действуют одновременно, совместно. При установлении же зависимости между отдельно взятым производственным фактором и обусловленной его воздействием первичной погрешностью допускают, что в это время другие факторы как бы отсутствуют, не действуют. Такой методический прием является вынужденным, так как наличие большого разнообразия действующих факторов, условий производства, порождающих геометрические погрешности изделия, затрудняет изучение причинно-следственных связей механизма их образования (Рисунки 3, 4) [1].

Рабочий процесс осуществляется с помощью технологической системы, находящейся под воздействием множества факторов, реакция технологической системы на который и приводит к отклонению качества изделия.

Рисунок 3 - Схема процесса формирования качества изделия

Технологическая система препятствует воздействию этих факторов такими своими свойствами как жесткость, прочность, износостойкость, теплостойкость, виброустойчивость и др. Следовательно, чем выше качество технологической системы, тем меньше влияние факторов на качество изготовления изделия.

Рисунок 4 - Схема причинно-следственных связей формирования отклонений качества деталей при механической обработке

Многочисленные исследования показали, что большинство первичных факторов действуют косвенно или непосредственно через теплоту и усилия. Тепловое и силовое воздействие порождает упругие и тепловые перемещения, вибрации, изнашивание, деформации элементов технологических систем, обусловленные остаточными напряжениями, что нарушает заданные параметры режима рабочего процесса и в итоге приводит к отклонению фактического относительного движения рабочих поверхностей системы от заданного. Кроме того, на геометрические погрешности изготовления оказывает влияние геометрическая неточность самой системы.

Основные причины погрешностей механической обработки связаны с:

- геометрической неточностью станка;

- погрешностью установки заготовки (ориентации и закрепления);

- неточностью изготовления, установки, настройки и размерного износа режущего инструмента;

- упругими деформациями технологической системы;

- тепловыми деформациями;

- деформацией заготовок из-за перераспределения остаточных напряжений;

- систематическая погрешности теоретической схемы обработки;

- упрощением теоретической схемы обработки.

2. Механизмы образования погрешностей механической обработки

В данной главе рассмотрены механизмы образования систематических погрешностей при механической обработке, причиной возникновения которых являются упругие перемещения технологической системы, вибрации её элементов, остаточные напряжения в обрабатываемых заготовках, тепловые перемещения элементов технологической системы, их износ, а также образования погрешностей изготовления изделия на технологическом переходе.

2.1 Упругие перемещения технологической системы

2.1.1 Общее определение упругих перемещений технологической системы

Упругие перемещения технологической системы представляют собой перемещения и повороты ее деталей, обусловленные собственно упругими перемещениями деталей, контактными деформациями и выбором зазоров между деталями и являются функцией действующих сил, их моментов и жесткости технологической системы, препятствующей их возникновению.

На рисунке 5 а показан процесс упругих перемещений, при которых точка А детали I под действием силы Р перемещается относительно детали II. Для упрощения рассмотрим перемещения точки А под действием момента силы Р, приложенной в этой точке, направленной параллельно плоскости, пересекающей чертеж по оси у[1].

В результате роста значения силы Р от Р₁ до Р₅ происходит перемещение точки А на величину от у₁ до у₅ , что отображено соответственно на графике 5. ж. Наблюдается не только прямолинейное перемещение точки А, но и поворот детали I вокруг оси (Рисунок 5 г), контактную деформацию на сопряженных участках поверхностей деталей I и II (Рисунок 5 д),а затем статическое равновесие, так как моменты, создаваемые силой Р и силой тяжести G, становятся равны:

Рисунок 5 - Схема кривой зависимости упругих перемещений под действием силового фактора

В результате роста значения силы Р от Р₁ до Р₅ происходит перемещение точки А на величину от у₁ до у₅ , что отображено соответственно на графике 5. ж. Наблюдается не только прямолинейное перемещение точки А, но и поворот детали I вокруг оси (Рисунок 5 г), контактную деформацию на сопряженных участках поверхностей деталей I и II (Рисунок 5 д),а затем статическое равновесие, так как моменты, создаваемые силой Р и силой тяжести G, становятся равны (4):