Расчет операционных размеров

Операционным размером называют размер обрабатываемой поверхности, предписанный к выполнению на рассматриваемой операции (переходе). Значе­ние операционного размера не должно выходить за пределы наименьшего и наибольшего допустимых, разница между которыми равна технологическому до­пуску. Операционные размеры определяют с помощью промужуточных(опера­ционных) припусков на обработку поверхности,

Припуск - слой материала, удаляемый в процессе механической обработки в целях достижения заданных точности и качества обрабатываемой поверхности. Различают припуски промежуточные (операционные) и общие.

Промежуточный (операционный) припуск - слой материала, снимаемый при выполнении данного технологического перехода (операции). Его величина определяется как разность размеров заготовки, полученных на предшествующем и выполняемом технологических переходах (операциях).

Общий припуск - слой материала, удаляемый с обрабатываемой поверхно­сти заготовки при выполнении всей совокупности технологических переходов. Его величина определяется как разность размеров исходной заготовки и готовой детали.

К снимаемым в процессе обработки заготовки слоям материала относятся и напуски. Однако, в отличие от припусков, причиной их появления является упрощение технологического процесса получения исходной заготовки за счет уп­рощения её формы и создания специальных технологических элементов - укло­нов, радиусов.

Установление оптимальных величин припусков на обработку имеет существенное  технико-экономическое значение при разработке технологических про­цессов изготовления деталей машин. Чрезмерно большие припуски приводят к уменьшению коэффициента использования материала исходной заготовки, уве­личению трудоемкости механической обработки, повышению затрат.

Назначение недостаточных величин припусков может создать в ряде слу­чаев неприемлемые условия работы режущих инструментов в зоне твердей ли­тейной корки или окалины на черновых операциях. Чрезмерно заниженные при­пуски не обеспечивают получение требуемой точности и шероховатости обработанной поверхности, вызывают повышение требований к точности исходных заготовок, что не всегда экономически целесообразно.

В машиностроении широко применяют несколько методов определения припусков.

Опытно - статистический (табличный) позволяет получить значения операционных припусков по таблицам, составленным на основе обобщения и систематизации данных передовых предприятий [11, 18, 36], Значения общих припусков приведены в стандартах на исходные заготовки - поковки, отливки. Недостатком этого метода является то, что припуски назначают без учета кон­кретных условий построения технологических процессов: структур операций, особенностей работы оборудования, схем установки заготовки и размерных взаимосвязей в технологическом процессе, Опытно - статистические величины припусков завышены, так как ориентированы на условия, где увеличенный при­пуск дает возможность избежать брака за счет удлинения технологического маршрута. Этот метод применим в условиях единичного и мелкосерийного про­изводства, где не требуется углубленного анализа выполнения операций и изы­скания путей уменьшения припусков.

Расчетно - аналитический метод определения припусков разработан В.М Кованом [18, 25]. Согласно этому методу величина минимального припуска должна быть такой, чтобы при его снятии устранялись погрешности обработки и дефекты поверхностного слоя, полученные на предыдущих технологических переходах, а также погрешность установки заготовки, возникающая на выполняе­мом переходе. Общая величина минимального промежуточного припуска  равна:  

где i — индекс выполняемого технологического перехода;

- средняя высота неровностей поверхности после предшествующе­го перехода;

 - глубина дефектного поверхностного слоя после предшествующе­го перехода;

 - величина пространственных отклонении обрабатываемой поверхности относительно технологической базы, полученная на предыдущем пе­реходе;

 - погрешностъ установки заготовки на рассматриваемом переходе.

Величина определяется технологическими возможностями метода обработки [18,21,36].

Состояние и глубина поверхностного слоя [18 25 и др.] характеризует слой материала, отличающийся от основного материала заготовки (рис, 3.28). Это литейная корка с частицами формовочной смеси отливок, обезуглероженный слой у поковок, отбеленный слой у чугунных отливок, зона наклепа у металлических заготовок после их механической обработки, слой со следами прижогов после шлифования слои насыщения химическими элемента­ми после химико - термической обработки, закаленные слои после поверхност­ной закалки.

Дефектный слой должен быть частично или полностью удален. Однако в ряде случаев этот слой должен быть сохранен в целях повышения эксплуатаци­онных характеристик детали (наклеп, закалка поверхностная, химико - термиче­ская обработка) и тогда его величина исключается из структуры минимального припуска.

К пространственным отклонениям  относят: несоосность базовой на­ружной поверхности и внутренней обрабатываемой поверхности втулки (рис. 3.29 "а"), несоосность обтачиваемых поверхностей вала относительно линии центровых отверстий, являющихся технологическими базами (рис. 3.29 "б"), неперпендикулярность обтачиваемых торцев относительно базы (рис, 2.29 ^;<б'') и другие погрешности взаимного расположения обрабатываемых и базовых по­верхностей заготовок. По методике В.М. Кована [25] величина  определяется как:

где  - коэффициент уточнения пространственного расположения для i -1 перехода;

 - погрешность пространственного положения обрабатываемой по­верхности у исходной заготовки относительно технологической базы.

Погрешность установки  (п. 3.4.8) при определении операционного при­пуска характеризуется величиной смещения обрабатываемой поверхности отно­сительно технологической базы. Это смещение происходит вследствие погреш­ностей приспособления, реализующего теоретическую схему базирования.

Припуски отсчитываются в направлении перпендикулярном обрабатывае­мой поверхности. Пространственное отклонение  и погрешность установки  представляют собой векторы, так как они имеют не только величину, но и на­правление. Кроме этого величины  и    вносят случайный характер. Наиболее

вероятное суммарное значение этих векторов определяется по правилу квадрат­ного корня:

При обработке плоскостей эти векторы колинеарны

Величины  и    отсчитываются в том же направлении, что и припуск.

Таким образом получены следующие расчетные структурные формулы для  определения минимальных операционных  припусков:

Припуск на сторону при последовательной  обработке противоположных или отдельно расположенных плоскостей:

припуск на две стороны при параллельной обработке противолежащих плоскостей:

припускна диаметр при обработке наружных или внутренних поверхно­стей вращения:

Рис 3.28. Схема поверхностного слоя заготовки:

А - удаляемый слой;

В - сохраняемый дефектный слой;

С - основной материал

Рис. 3,29. Влияние пространственных отклонений заготовки на величину припуска:

а) при обработке отверстия; б) при обработке вала

На базе приведенных структурных формул могут быть получены частные расчетные формулы для конкретных случаев обработки. Следует отметить, что величина  не должна быть меньше той глубины резания, при которой работа заточенного режущего инструмента становится неустойчивой. Так доведенный резец может снимать стружку толщиной около 5 мкм. Однако через некоторое время режущее лезвие притупляется и резец снимает стружку толщиной 10. .20 мкм,

Величины составляющих минимального припуска приводятся в справоч­ной литературе

[ 18,25,21]. Значения этих составляющих зависят от конфигурации и размерных соотношений обрабатываемой заготовки, материала, методов обработки, схем установки заготовки

Операционные размеры определяют на основе расчета операционных припусков. На рисунке 3.28. при­ведена схема формирования предельных операционных размеров с использованием для обеспечения точности метода последовательных ходов и замеров.

В данном случае рабочие, выполняющие отдель­ные технологические операции, стремятся получить наи­большие предельные размеры, что гарантирует отсутст­вие неисправимого

брака. При этом условии:

Расчет операционных размеров идет от известных размеров детали к операционным размерам на отдельных этапах, включая получение исходной заготовки.

Наименьшее значение размера на предыдущей операции (переходе):

Наибольшее значение операционного размера:

где Td ^i-1 - допуск на диаметр на i -1 операции.

Максимальный припуск на i -1 операции:

Данный случай обработки оправдан стремлением получить максимальный запас поля допуска, используе­мого на износ поверхности детали при её эксплуатации.

В условиях средне, крупносерийного и массового производств для обеспечения точности используется ме­тод обработки на настроенном оборудовании. Настройка при обработке валов производится на минимальный диа­метр, при обработке на отверстий на максимальный диаметр. Из схемы (рисунок 3.31) видно, что действи­тельные размеры  А деталей меняются по сравнению с настроечным A_н. Причиной являются упругие деформа­ции У технологической системы, приводящие к измене­нию положения инструмента и заготовки. В этих услови­ях имеет место явление копирования. Оно заключается в том, что при обработке заготовки с наименьшим пре­дельным размером  выдерживаемый размер тоже будет минимальным -  , а из заготовок с  будут получать детали с .

Значение действительного минимального припуска:

Максимальный припуск определится как:

где TA ^i-1 , TA ⁱ  - допуски на размер А на рассматри­ваемом и предшествующем переходе соответственно.

Рис. 3.30. Схема расположения припусков и опе­рационных размеров вала

при использовании метода по­следовательных ходов и замеров

Рис. 3.31. Схема припусков и операционных раз­меров

при обработке на настроенном оборудовании.

Подобная схема определения припусков исполь­зуется при обработке наружных поверхностей заготовки (рис. 3.32). В соответствии со схемой наименьшее значе­ние операционного размера на предшествующем перехо­де (операции)

Максимальный операционный размер на предше­ствующем переходе(операции)

Максимальное значение операционного припуска равно:

В случае обработки отверстий (рис. 3.33) настройка инстру­мента производится по верхнему предельному значению опе­рационного размера, так как отжатие происходит вовнутрь отвер-стия. При этом минимальный припуск отсчитывается от наибольшего предельного операцион-ного размера и равен раз­ности диаметров.

где  - максимальное допустимое значение диаметра отверстия на  i –ой операции

 - то же на предыдущей i -1 операции (перехо­де).

Отсюда расчетное значение наибольшего предельного размера отверстия на

предшествующем переходе:

Минимальное значение диаметра на предшествующем переходе:

где TD ^i-1 - допуск на диаметр отверстия на предшествующем переходе.

Значение максимального припуска определится как:

где TD ⁱ - допуск на диаметр отверстия на данном i-ом переходе.

Расчетно - аналитический метод позволяет учесть особенности выполнения технологических операций и назначить более обоснованные значения припусков и операционных раз­меров по сравнению с данными, полученными табличным способом. Возможен анализ составляющих припуска и принятие решений, направленных на уменьшение припусков.

Следует отметить, что расчетно - аналитический метод следует применять в тех случаях, когда соблюдается «принцип единства баз на всех операциях обработки поверхности. В большинстве технологических процессов этот принцип нару­шается, при этом операционные размеры могут не совпадать с размерами детали, заданными конструктором. Особенно это проявляется при обработке торцовых поверхностей тел враще­ния. Кроме нарушения принципа единства баз может иметь место нарушение принципа постоянства баз. В таких случаях наблюдаются сложные размерные взаимосвязи между опера­ционными размерами, припусками, размерами детали. В таких технологических ситуациях единственно правильным решени­ем при расчете операционных припусков и размеров будет применение метода решения уравнений технологических опе­рационных размерных цепей [21].

Рис. 3.32. Схема расположения припусков и операционных размеров

для обработки вала на настроенном станке

Рис. 3.33. Схема расположения припусков и операционных размеров

при обработке отвер­стия на настроенном станке

Метод использования технологических операционных  размерных цепей по­зволяет установит взаимосвязи операционных размеров, припусков, размеров детали и иных её размерных параметров на всех стадиях обработки заготовки. Подробно этот метод будет рассмотрен в разделе "Обеспечение точности техно­логических процессов". На настоящем этапе кратко поясним его суть.

Технологический процесс обработки заготовки (рис. 3.34) с размерами в продольном направлении А^i-1и B^i-1 включает в себя i-тую операцию подрезки торцев 2 и 3 с выдерживанием операционных размеров В и А от технологиче­ской базы - торца 1 и операцию i подрезки торца 1 с выдерживанием размера Аⁱ⁺¹от базы - торца 3. На этих операциях снимаются припуски ,  и . Индексы 1,2,3 соответствуют номерам обрабатываемых поверхностей.

Величины припусков и размер Б являются замыкающим звеньями размер­ных цепей с уравнениями:

Задаваясь минимальными числовыми значениями припусков из условия устранения следов предыдущей обработки, т.е.:

и используя уравнения погрешностей размерных цепей можно найти мак­симальное значение припусков:

где  - погрешность припуска

где ωА - погрешности (технологические допуски) составляющих

звеньев в правой части уравнений; n - число составляющих звеньев.

В приведенных уравнениях известными являются величины припусков, размер Аⁱ⁺¹ , равный известному заданному размеру А детали, и размер Б детали, полученный косвенно. Подставляя известные значения из уравнений находят значения операционных размеров. Рассмотренный метод универсален и учиты­вает все размерные взаимосвязи, что позволяет научно обоснованно подойти к определению оптимальных значений операционных размеров.

Кроме определения минимальных и максимальных значений операцион­ных припусков необходимо рассчитать средние значения операционных припус­ков:

Рис. 3.34. Схема расположения припусков и операционных размеров в продольном (осевом) направлении

Это необходимо для определения расчетной глубины резания при назначении режимов обработки и нормировании технологических операций.

Максимальные значения припусков определяют нагрузку на технологиче­ское оборудование, его мощностные характеристики.

Значения операционных размеров необходимы для выполнения операци­онных эскизов при оформлении технологической документации.