Анализ причин изменения точности станка и разработка метода стабилизации точности на принципах саморегулирования

В обозримом прошлом и в настоящее время машиностроение находится под постоянным давлением основополагающей тенденции развития техники. Это требование повышения производительности с постоянным ужесточением требований к качеству технических устройств.

Современные технические изделия имеют ряд особенностей. Это полифункциональность, повышенная ответственность за выполняемые функции, ужесточенные режимы эксплуатации, частая смена конструктивного исполнения, сложные условия эксплуатации. Эти и другие черты технических изделий определяют возможность надежной эксплуатации при условии их качественного изготовления.

Параллельно с основной тенденцией существует ряд производных по времени. Это автоматизация производственных процессов. Усложнения конфигурации обрабатываемых деталей. Увеличение доли труднообрабатываемых материалов и т. д. В последние 20−30 лет сформировалась тенденция к частой смене объектов производства, что потребовало автоматизации мелкосерийного производства.

В отношении качества получаемых деталей и, в частности их точности требования тоже не слоят на месте. «За последние 40 лет мощность станков выросла примерно в 10 раз, а точность в 50 раз» [1].

Требования к точности обработки, в современном понимании этого термина, возникло в начале XX в. как реакция на требование взаимозаменяемой сборки, как требование автоматизации производства. И основывается на понятии «годной детали». «Годная деталь» — деталь, у которой все размеры находятся в пределах допусков. Допуски на размеры выражаются в линейно-угловых единицах, что и определило понятие точности. «Под точностью понимается степень приближения истинного параметра к его номинальному значению» [2]. В соответствие с тем, что допуска на точность размеров получаемых деталей выражены в линейно-угловых единицах, то и точность деталей определяется через геометрические показатели, «Точность детали определяется изменением ее погрешности (под погрешностью детали понимается степень отличия реальной детали от ее геометрического прототипа)» [3].

Повышение требований к качеству изделий машиностроения потребовало кроме точности размеров обеспечить точность и по другим показателям. Известно [4], что уменьшение овальности и конусообразности шеек коленчатого вала с 10 мкм до 6 мкм, обе величины в допуске на размер позволяет увеличить время работы вкладышей подшипников до предельного состояния в 2,5−4 раза. К середине 50-х годов XX в. были определены понятия, разработаны требования на параметры: отклонение формы, расположения, волнистости, шероховатости [5,6].

Количественная оценка состояния этих параметров производится, как и в случае с размером, посредством геометрических параметров.

Общим стремлением, за редким исключением, на этом этапе развития было стремление к уменьшению величины погрешности. Ограничением являлась экономическая целесообразность производства.

Геометрическую трактовку погрешности обработки можно считать условием необходимым, но не достаточным. Достаточным можно считать условие, когда погрешность оценивают с учетом ее энергетического содержания. Исходя из геометрической трактовки, трудно объяснить, почему отклонение формы в 10 мкм хуже, чем 6 мкм.

Допустим, требуется собрать трехстержневую систему. Каждый стержень имеет погрешность размераодин в плюс, другой в минус и т. д. Все стержни после сборки должны сойтись в одной точке. Для сборки один стержень надо растянуть, другой сжать. В результате каждый стержень запасет потенциальную энергию. После сборки вся система запасла внутреннюю энергию. Внутренняя энергия как любой другой вид энергии характеризуется двумя показателями количеством и качеством. Количество зависит от величины погрешности, качество зависит от свойств материала и от вида потенциальной энергии (растяжения/сжатия). Однако о свойствах системы на этом этапе нельзя судить однозначно. Качество системы проявится в рабочем процессе. Внешние силы могут систему нагружать по-разному. В зависимости от этого, система может сразу потерять работоспособность, если действие внешней силы растяжения совпадет с растянутым стержнем, либо иметь запас работоспособности в случае нагружения в противоположную сторону.

Из этого элементарного примера следует несколько элементарных следствий:

— погрешность, кроме геометрической характеристики, имеет энергетическую характеристику;

— чем больше количественное значение погрешности, тем больше запас внутренней энергии в этой погрешности;

— в зависимости от условий работы (положительной или отрицательной), важно не только количество внутренней энергии, запасенной в геометрической части погрешности, но и качество внутренней энергии этой части.

Технология в своей деятельности стремиться к максимальной точности. Во время сборки технических изделий происходит искажение формы деталей. Те параметры, которые заложены в проекте в результате сборки, изменяются. Во время эксплуатации даже точно изготовленные и собранные детали под действием рабочих нагрузок трансформируются, изменяя условия работы [7]. В этой связи для обеспечения нормальной работы изделия возникает необходимость в предискажении поверхностей деталей в соединениях. Данная тенденция в вопросах точности требует от станкостроителей станков с возможностью управления как величиной, так и конфигурацией отклонения формы и расположения.

Современное состояние технологии характеризуется еще одной особенностью. Возникла и бурно развивается нанотехнология. Нанотехнология основана на управляемом процессе формирования качества материала на атомарном уровне. Атомы материалов укладываются последовательно по программе, обеспечивающей получение требубемого результата. Такой подход имеет свою область применения, которая распространяется от 1Нм до 100 Нм.

Данная технология обладает феноменальными свойствами и в частности по обеспечению качества получаемых деталей, но обладает крайне низкой производительностью. С помощью нанотехнологии можно получить шпиндель с ошеломляющими свойствами, но за ошеломляющее время.

Традиционная технология формирует деталь путем обработки от поверхности заготовки в ее глубь. Нанотехнология идет от некоторого начального уровня вверх к поверхности детали.

В настоящее время существует определенный разрыв между двумя видами технологией. Одной из возможных областей взаимодействия и взаимопроникновения технологий, может явиться подготовка поверхностей деталей технологией машиностроения. Известно, что многие неприятности при эксплуатации технических изделий возникают в стыках и в сопряжениях. В силу малости диапазона геометрических возможностей нанотехнологии для успешного ее использования совместно с традиционной технологией, от традиционной технологии требуется подготовка поверхности детали весьма точной поверхности, для последующего наращивания требуемого свойства. Точность подготавливаемой поверхности при этом лежит в области десятка нанометров.

Причем, как в случае с управлением образования отклонения формы, так и в случае с подготовкой поверхностей под нанотехнологию кроме высокой точности от оборудования требуется высокая стабильность этой точности в течение определенного времени.

Однако технологическая система, как и любая другая система созданная человеком имеет свою прямо противоположную тенденцию, относительно фундаментальной тенденции техники развития. Фундаментальная тенденция технологических систем состоит в том, что как точность, так и производительность неуклонно со временем падает.

Для того чтобы управлять процессом получения деталей в заданных пределах допусков размеров, была разработана теория точности. В основе теории лежит несколько основополагающих принципов:

— процесс управления состоит из двух моментов. Один из них основывается на воздействие на технические устройства: приспособления для базирования заготовки, приспособления для базирования инструмента и т. д. Другой момент основан на свойствах станка, обеспечивающего периодическую подналадку процесса формирования размера;

— для обеспечения заданной точности размера воздействуют на элементарные составляющие общей погрешности. Это погрешность базирования, погрешность закрепления, погрешность наладки и т. д. Декомпозиция на элементарные составляющие возникла исторически по мере совершенствования точности получаемых размеров;

— исследования параметров в каждой из составляющих производится в статике. Параметры точности выражаются в геометрической интерпретации и количественные значения складываются по принципу алгебраического сложения;

— элементарные составляющие считаются независимыми;

— в исследованиях отсутствует учет времени обработки.

Совокупность этих и многих других моментов характеризует теорию, как линейную теорию. Она прекрасно зарекомендовала себя применительно к управлению погрешностью размера в производстве.

С появлением требований к отклонениям формы и расположения, эти положения стали применять к управлению процессов образования отклонений и даже шероховатости. Но эти положения позволяют объяснить лишь частные случаи образования отклонения формы или расположения.

Линейная теория точности проста в понимании, проста в исполнении и дает хорошие результаты на выходе. В этой связи станкостроители используют этот подход при разработке конструкции станка. Следует заметить, что станочная конструкция сугубо нелинейная система с точки зрения точности [8]. После изготовления станка его испытания, для оценки годности к эксплуатации, производятся в статическом состоянии.

В начале эксплуатации, как правило, станки показывают заявленные показатели точности. Но по мере эксплуатации возникает разрыв между требуемой точностью и результатами эксплуатации, усугубляющийся со временем эксплуатации. Проявляющийся разрыв возникает из-за разницы в принципах проектирования и реальной эксплуатацией.

Для устранения негативных последствий такого несоответствия станкостроители вводят системы диагностики состояния конструкции во время работы и, в частности, по точности, вводят системы коррекции погрешности размеров, системы предискажения программ обработки и т. д. и т. п.

Цель работы состоит в разработке инструмента, с помощью которого на этапе проектирования, создаются условия, обеспечивающие требуемую стабильность точности станка на заданном промежутке времени эксплуатации.

Для достижения цели требуется решить ряд задач:

— обосновать выбор направление исследования;

— результат этого шага формирует задачу следующего уровня: какие силы и как взаимодействуют они в конструкции при длительной эксплуатации станка;

— знание характера сил, возникающих в конструкции во время эксплуатации, определяет требования к разработке механизма. преобразования их действия в процессе деградации точности станочной системы. Для чего требуется разработка начальных положений механики несущей системы.

— разработать метод саморегулирования свойств стыковых поверхностей с целью стабилизации сил сопротивления конструкции;

— разработать метод оценки уровня качества станка в количественном выражении.

В связи с выше сказанным в качестве технического объекта исследования были выбраны методы формообразования: метод следов и метод касания.

По первому методу строятся станки универсального назначения. Это токарные, расточные, круглошлифовальные. По второму — строят станки фрезерные, плоскошлифовальные. Станки, основанные на этих методах, обладают широкими технологическими возможностями, обладают высокой точностью обработки. Использование ЧПУ позволяет осуществлять высокую мобильность в переналадке. Конструкция этих станков проста, но эта простота требует платы в виде сложной силовой картины, возникающей в этой простой конструкции.

Особенность конструкции этого типа станков состоит в том, что она выполняет две противоречивые функции.

Конструкция станка во время рабочего процесса развивает силы сопротивления против внешних сил. Этим она обеспечивает устойчивость процессу резания.

На конструкции и в ее составе расположены элементы системы управления точностью обработки. Это так называемые элементы геометрической точности станка. Шпиндельные опоры, направляющие столов/суппортов, точные кинематические цепи, кулачки, ходовые винты, делительные механизмы — это элементы, которые выполняют обозначенные двойные функции. Во время работы они однозначно реагируют на режимы обработки. Как только увеличивается производительность процесса резания, так сразу падает точность и наоборот.

В связи с тем, что конструкция обеспечивает условия формообразования, то силовая картина осложняется не только тем, что действуют разнородные силы (механические, термические, изнашивания, вибрационные), но все они действуют в одном пространстве и в одно время. В результате чего они оказывают взаимодействие друг с другом и взаимовлияние на условия существования каждой из них.

Следует сказать, что данная работа в своей основе построена на аксиоматическом подходе, т. е. при построении теории в основу кладутся аксиомы, из которых остальные утверждения выводятся путем доказательства теорем.

Нельзя сказать, что вопросу образования отклонения формы и точности станка не уделяется внимание со стороны станкостроителей. Решение идёт, как правило, по пути пассивному — ужесточение требований к качеству базовых деталей (материал, качество стыков, использование конструкторских решений). Однако, получаемые решения применимы в частных случаях, разобщённость в формулировке задач, методах и средствах решения способствуют получению противоречивых результатов, которыми невозможно воспользоваться в случаях с изменёнными условиями. Такое положение сложилось в связи с объективной ситуацией, которая состоит в том, что не определён механизм изменения точности станка. Побудительным мотивом в выборе направления исследования послужило два аспекта. Первое — это необходимость обеспечить точность станка, сохраняя ее на заданном уровне в течение длительного времени. Второеэто то, что в исследовательской части, в различных её аспектах поведения конструкции при формировании качества обработки, накоплен огромный фактический материал. Существует условие необходимости и достаточности в решении возникающих задач.

В качестве технического объекта исследования был выбран типичный представитель таких методов формообразования как метод следов и метод касания — токарный станок. Характерной чертой названных методов формообразования является то обстоятельство, что конструкция станка, несущая ее часть выполняет две основные противоречивые функции. Это обстоятельство приводит к тому, что в момент формообразования элементы геометрической точности станка изменяют свои параметры. В результате изменяется точность обработанных поверхностей.

Токарный станок, этот тип станка, является типичным представителем метода следов. Результаты исследований, приведенных в работе, применимы не только для метода следов, но и для метода касания.

В таблице 1 представлен перечень моделей станков, использовавшихся при проведении данных исследований. Станки отличаются как конструкцией, так и технологией изготовления, отличаются классом точности.

То общее, что объединяет оба метода состоит в том, что конструкция выполняет две функции: силовую и функцию управления качеством обработки. Движения формообразования порождает определенную силовую картину в конструкции. Силовое воздействие со стороны рабочего процесса приводит к возникновению движения элементов в конструкции, на которых располагаются элементы геометрической точности. Эти элементы приобретают движение, которое приводит как к нелинейности, так и нестабильной точности станка.

Таблица 1.

Станки, используемые в работе в качестве технических объектов исследования п/п Модель. Год изготовле ния. Диаметр, длина, (мм) Частота вращения. (мин" 1) Пределы подач, (мм/мин) Мощность привода. (кВт) Класс точности. Примечание.

1 1К62 1957 400×710 12,5−2000 0,025−7,0 10,0 Н Унив.

2 УТ-16П 1987 170×730 40−2000 0,036−3,0 7,4 П — .

3 1К62 1966 400×710 12,5−2000 0,025−7,0 10,0 Н — .

4 16К20 1971 400×750 12,5−1600 0,025−7,6 10,0 Н — .

5 16К20 1974 400×750 12,5−1600 0,025−7,6 10,0 Н — .

6 SUI 1990 450×800 14−2500 0,048−8,0 12,0 П ЧПУ.

7 16К20 1989 400×750 12,5−1600 0,025−7,6 10,0 Н Унив.

8 МК 6046 1992 400×730 12,5−2000 0,036−8,4 14,0 П ЧПУ.

9 DLG SH 63−150 1971 500×900 16−3000 0,024−6,4 16,0 В ЧПУ.

10 16К20 1973 400×750 12,5−1600 0,025−7,6 10,0 Н Унив.

11 ТПАРМ-100 1986 100×250 40−3000 0,01−2,4 3,8 В ЧПУ.

12 СПГ-2 1976 30×70 400−1200 0,016−3,8 1,8 П Расточной.

13 УТ-16-ФЗ 1983 125×630 40−2000 0,018−3,6 7,4 П ЧПУ.

14 1Е61ПМФЗ 1978 140×630 12−1600 0,024−8,4 7,4 П ЧПУ.

15 СТП-125В-ФЗ 1998 123×700 38−2500 0,02−8,0 9,0 В ЧПУ.

На защиту выносится:

• Обоснование выбора пути исследования станочной системы по параметрам точности в виде постановки проблемы. При постановке проблемы учитывается факт нелинейности процесса изменения точности станка в течение длительной эксплуатации, учитывается тот факт, что несущая конструкция движется в момент формообразования;

• Метод анализа силовых взаимодействий в конструкции станка;

• Разработку инструмента в виде начальных положений механики несущей системы станка, позволяющей преобразовывать возникающие силы в процесс образования погрешности станка;

• Разработку метода составления кинематических уравнений возмущенного движения формообразования;

• Методику саморегулирования свойств соединений отдельных деталей с целью стабилизации сил сопротивления конструкции станка;

• Разработку шкалы количественной оценки свойства станка производить детали;

Общие выводы.

1. Несущая система станка выполняет две противоречивые функции: силвую и управление точностью. Силовая обеспечивает устойчивость процессу резания. Управление точностью осуществляется посредством геометрической точности элементов конструкции станка. Такое сочетание приводит к простате конструкции, но взамен получают сложные силовые взаимодействия и влияния, оказывающие влияние на нелинейность изменения точности станка.

2. Во время рабочего процесса в конструкции присутствуют два рода движений. Это движение формообразования, которое совершает работу по съему стружки и образует конфигурацию детали. Возмущения, возникающие при этом, порождают вторичное движение в конструкции. Вторичное движение суммируется с движением формообразования и в результате на обработанной поверхности образуются погрешности.

3. Использование в расчетах стыков и сопряжений, положение о движении конструкции дает возможность при проектировании учитывать влияние движения в соединениях на стабильность точности.

4. Точность станка и его производительность зависят от единого свойства конструкции формировать силы сопротивления против внешних возмущений. Это обстоятельство создает условия для оценки в количественном выражении свойства станка производить годные детали. Как результат этого обстоятельства возможно создание шкалы данного свойства.

5. Наличие в конструкции стыков и напряжений, сложность силового взаимодействия при условии наличия вторичного движения приводит к процессу расходования внутренней энергии конструкции. Процесс изменения энергии идет в одном направлении, в сторону ее уменьшения. Закон изменения нелинейный и не противоречит логарифмическому.

6. Рассмотрение погрешности детали не только с точки зрения геометрических показателей, но и с учетом количества внутренней энергии в объеме геометрических характеристик, позволяет объяснить стремление машиностроения иметь более точные детали и изменяет подход к исследованию точности станка.

7. Наличие вторичного движения, ухудшающего как точность станка, так и его производительность, и ужесточение требований, как к одному параметру, так и к другому, требует использования механики этого движения. Разработанные начальные положения такой механики обеспечили уже на начальных этапах разработки механики возможность не только объяснить образование отклонения формы, но и регулировать явления, происходящие в соединениях.

8. Предложенный способ составления кинематических уравнений и уравнений движения позволил установить кинематическую связь между движением формообразования и вторичным движением на количественном уровне, позволили объяснить образования отклонения формы на обработанной поверхности и процесс ее изменения во времени.

9. Наличие движения в поверхностях соединений приводит к изменению свойств поверхностей формировать силы сопротивления. При учете этого явления появляется возможность регулировать параметры этого движения с целью стабилизации процесса формирования сил сопротивления в соединениях. Это возможно на принципах саморегулирования.

10. Нелинейность процесса изменения точности станка зависит от многих причин и в частности от несимметричности свойств рабочего пространства станка, от нелинейности процесса изменения параметров сил сопротивления конструкции.

11. Существующие знания в вопросах точности, зависящие как от конструкции, так и от технологии изготовления и сборки, дополненные результатами исследования механического движения несущей системы станка, дают возможность на этапе проектирования активно влиять на принятие решений по точности станка.

Заключение

.

Исследования точности станка, построенного на методе формообразования следов или касания, обнаруживает вполне определенную связь между точностью станка и его производительностью. Эта связь основана на том принципе, что конструкция выполняет две противоречивые функции за счет свойств конструкции. Станки такого типа обладают простой конструкцией при возможности обладать широкими возможностями, как в формообразовании, так и качества и возможности гибкой переналадки. Все эти положительные моменты требуют оплаты в виде сложной силовой картины в конструкции. Сложная силовая картина, наличие стыков и сопряжений создают условия взаимодействия сил, их взаимовлияния. Последствия таких процессов приводят к нелинейности процесса изменения точности станка в процессе эксплуатации.

Для того чтобы обеспечить увеличение точности и ее стабильности приходится разделять функции силовые и функции управления точностью. Такое разделение сулит усложнению конструкции, но и обеспечит повышение стабильной точности станка с одновременным повышением проиДр^щювелвнравиение в повышении точности и ее стабильности располагается в области соединений. Исследование свойств этих элементов конструкции приходится проводить с учетом наличия движения поверхностей соединений, т.к. наличие вторичного движения в соединениях требует иных свойств поверхностей. Одним из возможных методов повышения точности может явится использование саморегулирования.