ЖЕСТКОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ СТАНКА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ТОЧНОСТЬ ОБРАБОТКИ

При механической обработке станок, приспособление, обрабатываемая заготовка, режущий инструмент и несущие его элементы (державки, оправки, расточные скалки и т.п.), представляют собой упругую систему, которая называется технологической системой «станок - приспособление - инструмент - деталь» (СПИД). Сила резания при обработке детали вызывает упругие деформации и смещение элементов системы СПИД из-за зазоров в их сочленениях. Их величина зависит как от силы резания, так и от жесткости системы.

Под жесткостью тела или системы тел подразумевается способностью их сопротивления упругим перемещениям при действии приложенной к ним нагрузки.

Чем меньше величина перемещений, при прочих равных условиях, тем выше жесткость. С точки зрения точности обработки наиболее существенное значение имеют колебания величины составляющей силы резания Р_у, направленной по нормали к обрабатываемой поверхности. Поэтому жесткостью упругой системы «станок – приспособление – инструмент - деталь» называется отношение нормальной (радиальной) составляющей усилия резания к смещению лезвия инструмента относительно детали, отсчитываемому в направлении действия этой составляющей

,                         (4)

где j – жесткость системы СПИД, Н/мм;

Р_у – нормальная (радиальная) составляющая усилия резания, Н;

у – упругое перемещение системы в направлении действия силы Р_у, мм.

Величина нормальной (радиальной) составляющей усилия резания (направленной вдоль державки резца) при точении определяется по формуле:

,             (5)

где С_р – коэффициент, величина которого зависит от условий обработки;

t - глубина резания, мм;

S - подача, мм/об;

НВ – твердость материала обрабатываемой заготовки по Бринелю;

х, у, n – показатели степени.

В процессе обработки сила резания изменяется в результате колебания величин припуска заготовок, механических свойств обрабатываемого материала и притупления инструмента, вследствие износа его режущей кромки. Нестабильность силы резания, а также нестабильность жесткости технологической системы в ее различных сечениях вызывает неравномерность деформаций и отжатий элементов системы, в результате чего возникают погрешности формы обработанной поверхности и колебания размеров деталей в партии. Жесткость технологической системы также существенно влияет на ее виброустойчивость, и следовательно, на частоту и интенсивность вибраций при обработке. Частота и интенсивность вибраций, в свою очередь, влияют на стойкость режущих инструментов, качество обрабатываемой поверхности и производительность процесса.

Упругие свойства технологической системы можно также характеризовать ее податливостью , т.е. величиной, обратной жесткости.

Жесткость большей части элементов технологической системы определяется экспериментально; лишь жесткость заготовок простой конфигурации (гладкие валы, планки) и некоторых типов инструментов можно найти расчетным путем. Жесткость узлов новых станков достигает 20000-40000 Н/мм. В отдельных случаях жесткость узлов изношенных и разрегулированных станков бывает ниже 10000 Н/мм. Жесткость узлов часто бывает неодинакова в различных направлениях.

С увеличением жесткости повышается точность и производительность обработки. Увеличение жесткости достигается следующими основными путями:

1) уменьшением количества стыков в конструкциях станков и приспособлений;

2) предварительной затяжкой стыков постоянно контактирующих деталей посредством болтовых креплений;

3) улучшением качества сборки узлов тщательной пригонкой сопряженных поверхностей и регулировкой зазоров;

4) повышением жесткости деталей технологической системы вследствие уменьшения их высоты или вылета и увеличения размеров опорной поверхности;

5) использованием дополнительных опор, люнетов и других элементов для заготовок и инструментов.

Для определения жесткости металлорежущих станков (то есть жесткости их технологической системы) применяют два принципиально различных метода: лабораторный и производственный. Первый требует специальных приспособлений, которые дают возможность прилагать к различным элементам станка нагрузку, аналогичную усилиям, возникающим при резании. Эти приспособления обеспечивают также измерение получаемых при нагружении деформаций. Лабораторный метод позволяет измерять жесткость металлорежущих станков в статическом состоянии и дает возможность производить приемку станков на станкостроительных заводах или после капитального ремонта.

Производственный метод позволяет определять жесткость системы СПИД, а также отдельных узлов станка, в условиях его работы (при резании), что очень важно для определения общей погрешности обработки. В основе производственного метода определения жесткости металлорежущих станков лежит существующая зависимость между глубиной резания, усилием резания и получаемым размером. Например, пусть до начала обработки инструмент установлен на заданную глубину резания t_зад (рис.4)

а                                               б           

Рис. 4 - Схема перемещений детали, и инструмента при обработке

а) статическая настройка, б) динамическая настройка

В процессе обработки заготовка упруго отжимается на величину У_1, а инструмент на величину У₂. В результате этого заданная глубина резания уменьшается до значения t_ост.

Для каждого отдельного сечения можно написать:

У₁ + У₂ = t_зад – t_фак

Формулу (4) можно переписать в следующем виде:

,                      (6)

где  Р_у – нормальная (радиальная) составляющая усилия резания, Н;

j – жесткость технологической системы, Н/мм;

t_ост – расстояние между фактическим и расчетным положением обработанной поверхности, мм.

В процессе выполнения лабораторных работ значения Р_у определяются расчетным путем.

Рис. 5 - Блок-схема автоматического поддержания постоянства усилия резания в процессе обработки вала на токарном станке

Величину нормальной (радиальной) составляющей усилия резания при точении можно определить по формуле (5). При точении показатель степени х при глубине резания t обычно равен единице.

Значения коэффициента С_р и показателей степени «x», «у» и «n» зависят от обрабатываемого материала и типа инструмента и могут быть определены по таблице 3.

Таблица 3

Значения коэффициента С_рт и показателей степени

Другие конкретные условия резания учитываются умножением табличного значения С_рт на коэффициенты К₁ и К_2. Коэффициент К₁  учитывает влияние главного угла в плане  и определяется по таблице 4.

Таблица 4

Значения коэффициента К₁

Коэффициент К₂ учитывает влияние переднего угла резца и определяется по таблице 5.

Таблица 5

Значение коэффициента К₂