При обработке на станке какой-либо детали сила резания не остается постоянной из-за изменения сечения среза, припуска на обработку, механических свойств материала обрабатываемой детали или режима обработки. К изменению силы резания приводят также затупление и износ инструмента, наростообразование и некоторые другие факторы. Под действием изменяющихся сил резания и трения, при воздействии со стороны двигателя упругие элементы станка деформируются, изменяя тем самым условия резания, трения или условия работы двигателя. Цепь воздействий оказывается замкнутой, а сами воздействия, называемые связями, носят направленный характер. Контур, который определяет поведение всей системы станка в данных условиях, называется главным контуром связи. Наиболее часто главным контуром связи динамической системы станка при резании является контур «упругая система-резание», так как жесткая характеристика асинхронного двигателя достаточной мощности и малое изменение трения в подшипниках качения шпинделя (при отсутствии защемления тел качения) при изменении деформации позволяют пренебречь остальными контурами связи.
Для того чтобы объяснить разнообразные явления, происходящие при работе станка, в том числе и погрешности размеров и формы детали, необходимо знать свойства элементов замкнутой системы станка. Эти свойства можно характеризовать соотношением между воздействием на данный элемент со стороны предыдущего элемента (входная координата) и результатом этого воздействия (выходная координата) - характеристикой элемента. При неизменности во времени входной координаты характеристика будет статической, при изменении же во времени входной координаты - динамической.
Статической характеристикой упругой системы, в состав которой входят все детали и узлы станка, обрабатываемая заготовка и инструмент, является в частном случае (представляющем, однако, большой практический интерес) отношение перемещения у вершины режущего инструмента по нормали к обрабатываемой поверхности к силе Р, имитирующей постоянную силу резания. Эта характеристика
k = y/P мм/н (или мкм/н)
называется податливостью.
В практике часто пользуются величиной, обратной k, называемой жесткостью:
j= P/y н/мм (или н/мкм).
Жесткость станка является одним из основных критериев его работоспособности, так как определяет точность станка под нагрузкой в установившемся режиме работы (статическую ошибку). Чем меньше жесткость системы, тем больше погрешности формы и размеров обработанной детали, т. е. ниже точность обработки (см. Точность и отклонения от геометрической формы деталей).
Первое капитальное исследование жесткости было проведено К. В. Вотиновым еще в 1935 г. Позднее в трудах советских ученых А. П. Соколовского, д. Н. Решетова, Б. С. Балакшина, Х. М. Еникеева и других вопросы жесткости получили дальнейшее развитие. Исследования показали, что суммарная деформация у системы при действии на последнюю силы Р в большей степени зависит от деформации в стыках, чем от собственных деформаций деталей станка. А так как деформации в стыках во многом зависят от качества поверхности (точности формы, шероховатости), т. е. от технологии производства, то для объективной оценки не только конструкции станка, но и качества его изготовления, жесткость должна контролироваться для каждого станка в дополнение к испытаниям на геометрическую точность. Станки - сложные системы. В зависимости от изменения величины и направления сил резания и положения узлов в них могут работать различные поверхности стыков; соответственно будут различны и значения жесткости.
Поэтому для того, чтобы результаты проверки на жесткость были достаточно достоверны и объективны, необходимо при испытаниях по возможности приблизиться к наиболее типичным реальным случаям обработки, сохраняя для простоты испытаний статическое нагружение системы. Для этого должен быть решен целый ряд частных задач.
- Направление нагружающей силы выбирается на основе анализа величин углов α и β, где α = arctg Py/Pz и β = arctg Px/Pz (здесь и ниже Px, Py и Pz - соответственно осевая, горизонтальная и вертикальная составляющие силы резания). В зависимости от обрабатываемого материала, геометрии инструмента и пр. углы α и β меняются в довольно широких пределах. Однако, как установлено работами ЭНИМСА, для токарных станков уже при α = 13÷22°, и меньше перемещение резца по горизонтали равно нулю, поэтому а не может быть меньше 25-30°. Для упрощения испытаний было принято β = 0, так как жесткость мало меняется при изменении β в диапазоне наиболее типичных значений. В связи с незначительным влиянием крутящего момента на точность обработки его влияние не учитывается. Все это позволяет окончательно нагружать станок равнодействующей сил Py и Pz, направленной через линию центров (так как влияние диаметра обрабатываемой детали на жесткость невелико) под углом α = 30°, причем такое упрощение схемы нагружения практически не отражается на результатах. Аналогично поступают и для других станков.
- Величина нагружающей силы должна быть достаточной для того, чтобы вызвать перемещения, которые можно точно зафиксировать при помощи обычного индикатора с ценой деления 0,01 мм, но она не должна превышать нагрузки, допускаемой для испытуемого станка. Работы В. А. Веденского дают значения нагружающей силы как функции основного размера станка. Например, для токарных станков Р = 0,75D(1,5), где D - максимальный диаметр обрабатываемой детали в мм.
- Координаты точки приложения силы выбираются в соответствии с типичным случаем обработки и исходя из удобства размещения приборов. Учитывая, что положение поперечных салазок и изменение вылета резца в пределах от h до 2h (h - высота сечения резца) слабо влияют на жесткость, для токарных станков ЭНИМС рекомендует принимать расстояние от точки приложения силы до резцедержателя. При испытаниях в патроне положение точки приложения силы у передней бабки определяется вылетом и диаметром центра. Для испытаний в центрах оговаривается вылет пиноли задней бабки (рис. 1).
-
Рекомендуется определенное типичное расположение перемещаемых узлов на станке (рис. 1).
-
Станок устанавливают так же, как при эксплуатации; перед испытанием элементы, неподвижные во время работы станка, закрепляют; проверяют регулирование подвижных соединений и затяжку неподвижных стыков.
Рис. 1. Условия проверки по нормам жесткости токарных станков общего назначения по ГОСТУ 7895-56: 1 - нагрузочное устройство; 2 - индикатор для измерения относительных перемещений
Для того чтобы можно было судить и о качестве регулирование стыков, должно быть соблюдено требование о нагружении сразу же после установки узлов станка в заданные положения.
В соответствии с требованиями о направлении, величине и координатах точки приложения нагружающей силы ЭНИМС разработал для разных станков ряд универсальных приборов для измерения жесткости. Основными частями каждого такого прибора являются нагрузочное устройство (домкрат и предварительно протарированный динамометр с индикатором нагрузки) и индикаторы перемещений. Чтобы более точно выдержать направление и координаты точки приложения силы, последнюю пере- дают элементам станка через промежуточную деталь с шаровой поверхностью. В качестве примера на рис. 2 показан прибор конструкции ЭНИМСа для измерения жесткости токарных станков.
Рис. 2. Прибор для измерения жесткости токарных станков в производственных условиях: 1 - корпус; 2 - винт; 3 - гайка; 4 - динамометр; 5 - оправка; 6 - индикатор перемещений по оси z; 7 - индикатор динамометра; 8 - вертикальная стойка; 9 - пружина; 10 - штифт; 11 - индикатор перемещений индикатор перемещений по оси y; 12 - червяк
Показатели жесткости для производственных испытаний станков комплексные. Они дают суммарную жесткость станка, характеризуемую смещением вершины режущего инструмента относительно жесткой обрабатываемой заготовки при нагружении силами резания. Суммарная жесткость может быть получена как среднее арифметическое значение жесткости станка, полученных для нескольких (четырех-пяти) ступеней нагрузки. Величины ступеней зависят от выбранной величины максимальной силы. Для большей достоверности полученных результатов измерения испытание проводят 2-3 раза.
В качестве норм жесткости, с которыми сравниваются полученные значения суммарной жесткости, в ГОСТах приводятся показатели, являющиеся результатом обобщения статистических данных о фактической жесткости выпускаемых станков. Такие нормы являются вполне выполнимыми и в то же время позволяют поддерживать качество проверяемых станков на высоком уровне. В. А. Веденский (ЭНИМС) выразил жесткость в форме степенной функции основного размера станка.
Для упрощенного контроля в производственных условиях в нормах жесткости дается величина наибольшего допустимого перемещения частей станка при действии максимальной нагружающей силы (см. рис. 1).
Статический метод определения суммарной жесткости станков, принятый на заводах, прост, но, как и любой другой статический метод, не учитывает всей специфики процесса резания. Поэтому до настоящего времени не прекращаются поиски достаточно простого метода определения жесткости станков при резании.
В основе существующих методов лежит обработка за один проход заготовки эксцентричной или ступенчатой формы. Следовательно, в процессе обработки глубина резания резко меняется, вызывая мгновенное увеличение сил резания и смещение инструмента вместе с суппортом. В результате появляются погрешности геометрической формы детали, а на основании величин этих погрешностей оценивается жесткость станка.
При проведении испытаний на статическую жесткость станка в лабораторных условиях можно построить график отжатий в функции нагрузки y=f(P) (рис. 3), который может дать лишь общее представление об особенностях упругой системы.
Рис. 3. Экспериментальная статическая характеристика упругой системы станка 1Д62М
Например, сильно вогнутая нагрузочная ветвь кривой y=f(P) свидетельствует об уменьшении жесткости упругой системы с увеличением нагрузки, что большей частью имеет место при создании в отдельных стыках, подшипниках и т. п. предварительного натяга. Когда нагрузка превысит величину затяжки, стык раскрывается, и жесткость системы падает.
Выпуклая нагрузочная ветвь той же кривой, наоборот, характеризует увеличение жесткости упругой системы системы по мере роста нагрузки на нее. Так бывает, например, при плохой обработке стыковых поверхностей, когда фактический контакт имеет место лишь в отдельных точках. При увеличении нагрузки происходит деформирование выступов поверхностей, площадь прилегания поверхностей увеличивается и жесткость возрастает.
Как правило, статическая характеристика упругой системы станка y=f(P) нелинейна. Ее нелинейность может быть вызвана нелинейностью упругих сил или влиянием сил трения. При более глубоком исследовании станка разделение этих сил очень важно, так как их роль в динамических процессах принципиально различна. При хорошем качестве сборки и при отсутствии в несущей системе станка зазоров и слабых звеньев площадь петли гистерезиса уменьшается, а сама характеристика приближается к линейной. Для упрощения анализа характеристику линеаризуют в любом случае. Выражая в аналитической форме такую линеаризованную характеристику, приходят к уже известной зависимости
k = x вых / x вх = y/P или ј = P/y
Однако знание только суммарной жесткости не всегда достаточно: часто для того, чтобы предотвратить появление конструкций с низкой жесткостью из-за одного слабого элемента, необходимо бывает оценить жесткость отдельных элементов или узлов станка, качество их изготовления и сборки. Тогда составляется, обычно в лабораторных условиях, баланс упругих перемещений (или, более строго, определяется структура перемещений). Для этого при статическом нагружении, имитирующем действие силы резания, измеряют, а затем пересчитывают к точке приложения силы перемещения элементов упругой системы станка. Баланс упругих перемещений может иметь форму: укрупненного баланса упругих перемещений, который дает общее представление о распределении перемещений по узлам, детального баланса упругих перемещений узла и детального баланса упругих перемещений станка; при составлении баланса этого вида полное смещение точки приложения силы выражается в долях, определяемых как собственными деформациями элементов упругой системы, так и контактными деформациями в стыках.
В работах ЭНИМСа даются общие методические указания по составлению балансов упругих перемещений при исследовании жесткости станков. В качестве примера приведем схему расстановки приборов для составления укрупненного баланса упругих перемещений в токарных станках для случая обработки в патроне (рис. 4) и таблицу обработки результатов измерений (рис. 5).
Рис. 4. Схема расстановки приборов для составления укрупненного баланса упругих перемещений в токарных станках при обработке в патроне
Нагрузочные устройства, применяемые при исследовании структуры перемещений, аналогичны описанным выше, а в качестве измерительных приборов обычно применяют индикаторы с ценой деления 0,01 и 0,002 мм, устанавливаемые на стойках на общей недеформируемой базе. Для измерения угловых перемещений используют уровни с ценой деления на 0,02 на 1000 мм.
Составление детального баланса более трудоемко, так как требует экспериментального определения контактных деформаций, характеризуемых взаимными перемещениями контактирующих тел в их соединениях.
Рис. 5. Таблица обработки результатов измерений жесткости станка
