Методы оценки точности механической обработки

Содержание
Введение…………..……………….…………....…………………….… 3
1. Погрешности механической обработки и способы
достижения точности..………………………………………………...….…... 4
2. Точность обработки. Методы определения погрешностей
обработки...……………………………………………………………….….. 11
Заключение...……………….………..................................................... 20
Список литературы………....……………………………...……...….. 21

Введение
Качество обработки деталей машин определяется двумя критериями: точностью обработки и шероховатостью обработанных поверхностей.
Под точностью обработки понимают степень соответствия изготовленной детали заданным размерам и форме. В большинстве случаев форма деталей определяется комбинацией известных геометрических тел: цилиндрических, конических, плоскостей и т. д. Можно установить следующие основные критерии соответствия детали заданным требованиям:
– точность формы, т. е. степень соответствия отдельных поверхностей детали тем геометрическим телам, с которыми они отождествляются;
– точность размеров поверхностей детали;
– точность взаимного расположения поверхностей.
1. Погрешности механической обработки и способы достижения точности
Точность обработки деталей всегда являлась одной из актуальных проблем технологии машиностроения. Повышение точности изготовления деталей обеспечивает возможность сборки машин без дополнительных затрат труда на их пригонку, позволяет осуществить принцип взаимозаменяемости деталей и узлов и вести поточную сборку, что не только сокращает её трудоёмкость, но также облегчает и удешевляет проведение ремонтов машин в условиях их эксплуатации.
При выполнении технологических процессов обработки деталей получить абсолютные размеры практически невозможно, поэтому может быть достигнута лишь большая или меньшая точность их изготовления. Простановка допусков на размеры деталей представляет собой отказ от достижения абсолютных размеров. При помощи допусков регламентируют допустимые отклонения размеров, форм и расположения поверхностей обрабатываемой детали.
Различают конструкторские и технологические допуски. Конструкторские допуски назначает конструктор исходя из служебного назначения детали и условий её работы в изделии. Эти допуски проставляются на рабочем чертеже детали. Технологические допуски назначает технолог на все переходы механической обработки. Эти допуски должны быть обоснованы и увязаны с технологией изготовления детали таким образом, чтобы обеспечить требуемую конструктором точность изготовления. Для правильной простановки технологических допусков и обеспечения требуемой точности необходимо проанализировать величины и характер погрешностей, возникающих при механической обработке.
Механизм образования погрешностей механической обработки весьма сложен и разнообразен и зависит от конкретных условий обработки, а также связан с действием множества различных факторов. Общая погрешность обработки складывается из отдельных (начальных) погрешностей, которые разделяют на систематические и случайные. Систематическими считают те погрешности, численные значения которых остаются постоянными или изменяются по определённому закону для партии однотипных деталей. Предельные значения этих погрешностей поддаются прогнозированию с помощью предварительных аналитических расчётов. Случайными считают погрешности, величины которых могут быть различны для деталей одной партии, так как являются случайными величинами и не поддаются точному аналитическому расчёту.
Рисунок 1 – График зависимости себестоимости изготовления детали от точности изготовления
К систематическим погрешностям относят:
1. Погрешность, возникающую вследствие геометрических неточностей изготовления, износа и деформации станка.
2. Погрешность, связанную с неточностью изготовления и износом режущего инструмента.
3. Погрешность, вызываемую упругими деформациями элементов технологической системы «станок — приспособление — инструмент — деталь» под действием сил резания.
4. Погрешность, обусловленную деформациями технологической системы под влиянием нагрева.
К случайным погрешностям относят:
1. Погрешность, возникающую при настройке (подналадке) станка.
2. Погрешность, связанную с установкой заготовки в приспособление (на станок) перед обработкой.
3. Погрешность, вызываемую перераспределением внутренних напряжений в материале заготовки.
Начальные погрешности влияют на точность обработки по-разному: одни вызывают погрешности формы, другие изменяют расположение поверхностей, третьи оказывают доминирующее влияние па точность выполняемого размера. Обеспечение заданной точности изготовления означает, что сумма всех систематических и случайных погрешностей должна укладываться в границы поля технологического допуска на выполняемый размер.
Понимание физики происходящих явлений и знание законов образования и суммирования начальных погрешностей позволяют технологам сводить величину суммарной погрешности к минимуму и обеспечивать изготовление деталей требуемой точности (управлять точностью обработки).
Требования к точности изготовления деталей постоянно возрастают. Уже в настоящее время для некоторых точных изделий изготовляют детали с допусками в несколько микрометров или даже десятых долей микрометра. Например, в цехе топливной аппаратуры изготовляли плунжерные пары с допуском зазора 3-5 мкм, что требовало от каждой из сопряжённых деталей точности, ограниченной допуском 2-3 мкм. Цапфы осей гироскопов изготовляют с отклонениями номинальных размеров ± 0,8 мкм, а в сопряжениях ответственных деталей теодолитов допускается колебание зазора 0,6-1 мкм.
Точность, заданную рабочим чертежом, обеспечивают одним из двух принципиально разных методов: пробных ходов и промеров и автоматического получения размеров на предварительно настроенных станках.
Метод пробных ходов и промеров. Этот метод широко практикуют в условиях единичного и мелкосерийного производства. Заготовку устанавливают на станок. Затем к обрабатываемой поверхности подводят режущий инструмент и с коротко го участка поверхности снимают пробную стружку. Станок останавливают, делают замер полученного размера; определяют величину его отклонения от чертёжного и вносят коррекцию в положение режущего инструмента, которое отсчитывают по шкале лимба станка. Вновь производят рабочий ход на пробном участке заготовки и контрольный замер получившегося размера. Таким образом, путём последовательного приближения с помощью пробных ходов и промеров устанавливают правильное положение инструмента относительно заготовки, при котором выполняется заданный размер. После этого обрабатывают всю поверхность заготовки. Для обработки следующей заготовки процедуру установки инструмента пробными ходами и промерами повторяют.
Данный метод применяют и в условиях серийного и массового производства, в тех случаях, когда не удаётся обеспечить точность методом автоматического получения размера и необходимо скомпенсировать ручной настройкой начальные погрешности обработки. Например, при шлифовании можно без труда компенсировать износ абразивных инструментов, вызывающий потерю точности.
Метод пробных ходов и промеров обладает следующими достоинствами:
— позволяет получать высокую точность на неточном оборудовании, так как рабочий высокой квалификации путём измерений может определить и устранить начальные погрешности, возникающие при обработке;
— позволяет исключить или уменьшить влияние износа режущего инструмента на точность обработки партии заготовок, так как рабочий может внести поправку в положение инструмента, требуемую в связи с его износом. Даёт возможность получать годные детали из неточных заготовок, так как путём соответствующей разметки удаётся правильно распределить припуски на обработку и предотвратить появление брака;
— позволяет сокращать номенклатуру специальных приспособлений, так как положение центров отверстий и взаимное расположение обрабатываемых поверхностей предопределяется разметкой.
Наряду с достоинствами, метод пробных ходов и промеров обладает и рядом недостатков, среди которых:
— высокая трудоёмкость и низкая производительность, связанные с большими потерями времени на выверку заготовки и на корректировку положения режущего инструмента. Точность обработки в основном зависит от квалификации и добросовестности рабочего, поэтому возможно появление брака, связанного с ошибками и утомляемостью рабочего;
— точность обработки ограничивается минимально возможной толщиной снимаемой стружки, которая при токарной обработке доведёнными резцами составляет не менее 5 мкм, а при обработке обычно заточенными резцами — не менее 20 мкм;
— высокая себестоимость обработки деталей вследствие низкой производительности труда в сочетании с высокой квалификацией рабочего, требующей повышенной оплаты труда.
Рассмотренный метод достижения точности распространён в опытном производстве, в ремонтных и инструментальных цехах, весьма часто применяется в тяжёлом машиностроении. В условиях серийного производства им пользуются иногда для исправления брака после литья и штамповки, т.е. для получения годных деталей из частично бракованных исходных заготовок.
Метод автоматического получения размеров на предварительно настроенном станке. Этот способ применяют в условиях серийного и массового производства. Его сущность заключается в следующем: обрабатываемую заготовку без разметки и выверки устанавливают в специальное приспособление на заранее выбранные базовые поверхности; обработка ведётся за один рабочий ход заранее установленным на размер режущим инструментом.
Рисунок 2 – Обработка заготовок по методу автоматического получения размеров
Настройку станка на размер для обработки партии деталей, его поднастройку, а также смену изношенного режущего инструмента осуществляют наладчики — рабочие высокой квалификации.
Точность обработки обеспечивается правильной наладкой станка, которую осуществляют таким образом, чтобы требуемая точность обработки достигалась автоматически, т.е. почти независимо от квалификации рабочего-оператора. Проверку точности размеров деталей выполняют контролёры, при этом простые детали контролируют выборочно, методами статистического, предупредительного, а для сложных и дорогих осуществляют 100%-й контроль. По методу автоматического получения размеров работают автоматы и полуавтоматы, револьверные, агрегатные и копировальные станки, станки с ЧПУ и другое высокопроизводительное оборудование.
Данный метод имеет следующие преимущества:
— исключаются потери времени на разметку и выверку заготовок на станке, а также на осуществление пробных ходов и промеров;
— снижается процент брака, зависящий от квалификации и утомляемости исполнителя;
— точность не зависит от минимально возможной толщины снимаемой стружки, так как необходимый припуск на обработку устанавливают заранее;
— рационально осуществляется распределение труда: рабочие высокой квалификации делают настройку, обслуживая одновременно до 8-12 станков, а рабочие низкой квалификации работают на настроенных станках и выполняют производственную программу;
— работа на настроенном станке по упорам (без промеров) ослабляет напряжение исполнителя, делает её более спокойной, в работе появляются навыки последовательного выполнения целесообразных и продуманных движений, что способствует снижению утомляемости и росту производительности труда;
— ритмичность работы на различных рабочих местах благоприятствует созданию условий для организации поточного производства с определённым тактом выпуска изделий;
— повышение экономичности производства, высокая производительность труда, снижение потерь от брака, уменьшение потребности в высококвалифицированной рабочей силе способствуют снижению производственных затрат и повышению общей рентабельности производства.
Другие способы достижения точности. В автоматизированном производстве иногда применяют следующий прогрессивный способ обеспечения точности: в станок встраивают измерительное и регулирующее устройство — автоподналадчик, который в случае выхода выдерживаемого размера из поля допуска автоматически поднастраивает (корректирует) систему на заданный размер. Автоналадчики полностью исключают влияние субъективного фактора и при их правильной регулировке гарантируют 100% -ю годность деталей. Их используют на операциях торцового фрезерования, чистового или тонкого растачивания и других, когда обработку выполняют за один рабочий ход. Для станков, выполняющих обработку поверхностей в несколько рабочих ходов (например, наружное круглое и внутреннее шлифование), более характерно применение устройств, производящих измерения во время работы, на ходу. При достижении заданного размера эти устройства дают сигнал или автоматически выключают подачу станка. Такие системы получили название «средства активного контроля». Их внедрение позволяет повысить точность и производительность операций.
2. Точность обработки. Методы определения погрешностей обработки
Под точностью обработки понимается степень соответствия формы и размеров детали формам и размерам, заданным чертежом. Полное их соответствие может быть у идеальной детали с абсолютно точными размерами и геометрически правильными поверхностями (параллелепипед, цилиндр, шар и т.д.). Однако, опыт показывает, что реальные детали никогда в точности не соответствуют заданным, всегда есть отклонения. Поэтому принято точность характеризовать величиной погрешности, т. е. отклонением реальной детали от заданной. Соответственно различают погрешности формы деталей и размеров. Погрешность формы представляет ошибку взаимного расположения поверхности детали. Это может быть не прямоугольность, не плоскостность и не прямолинейность кромок, а также их не параллельность. Цилиндрические детали могут быть выполнены конусными, овальными, бочкообразными.Размерная погрешность представляет положительную или отрицательную разность размеров заданных и полученных.
Если обрабатывается партия деталей, то возникающие погрешности не будут совпадать по величине, т.е. они будут иметь некоторое рассеивание.
По причине возникновения погрешности могут носить систематический и случайный характер.
Систематической называется такая погрешность, которая остается постоянной в пределах обработки данной партии деталей, например, от перекоса частей станка, или изменяется закономерно, например, от износа режущего инструмента.
Случайной называется такая погрешность, значение которой в период обработки данной партии деталей изменяется и не подчиняется определенной закономерности (от разной влажности и физико-механических свойств древесины, от нестабильности режима обработки).
Существует два метода определения погрешностей обработки: расчетно-аналитический и статистический.
Расчетно-аналитический метод заключается в определении по известным зависимостям величины каждой составляющей и в сложении их по определенным правилам. Систематические погрешности складываются алгебраически, а случайные – геометрически, т.е. под квадратным корнем складываются квадраты величин:
(1)
Однако расчетно-аналитический метод еще недостаточно обработан, притом не все погрешности имеют определенную закономерность появления. Поэтому существует второй способ.
Статистический метод заключается в замере фактических погрешностей обработки партии деталей, статистической обработке и анализе полученного материала. Этот метод в отличие от расчетно-аналитического не сможет выявить влияния отдельных факторов не точность обработки, он только объективно отражает существующую обстановку. Он может использоваться как самостоятельный метод или как дополнительный для проверки и корректировки рассчитанных погрешностей.
Обычно партия состоит от десятков до сотен деталей, и появление погрешностей подчиняется закону нормального распределения с симметричной кривой (закону Гаусса).
Она имеет симметричную колоколообразную форму, ее вершина совпадает с центром группирования. Обе ветви асимптотически приближаются к оси абсцисс с точками перегиба в значениях –S и +S от центра группирования. Обычно в деревообработке эту кривую ограничивают ±3s. 
Кривая нормального распределения характеризуется формулой:
(2)
, где е - основание натуральных логарифмов;
х - погрешность размера, отсчитываемая от центра группирования;
S - среднее квадратическое отклонение. 
Определение погрешностей обработки начинается с расчета среднего арифметического , характеризующего центр группирования:
(3)
, где xi - среднее значение размера каждого интервала, на которые разбит весь ряд;
ni - количество деталей интервала;
n - количество наблюдений.
Около  группируется большинство наблюдений. Чем точнее станок, тем ближе будут располагаться все размеры к  . Чем, грубее станок, тем больше будут отличаться действительные размеры от  .
дает представление о средней точности размеров, но не выражает пределов колебаний.
Поэтому в дополнение к среднему арифметическому надо рассчитать еще среднее квадратическое отклонение, которое определяет рассеивание замеряемой величины:
(4)
Знак ± показывает, что отклонения могут быть в ту или другую сторону от среднего арифметического. Согласно теории вероятности в пределах находится 68,3% общего числа наблюдений;  и -99,73%.
Величина S постоянна для данного станка и определенного материала на протяжении некоторого времени, поэтому она может служить характеристикой точности его работы. Ошибка в 0,25% считается допустимой в д/о, поэтому за предельное поле рассеивания погрешности обработки принимается величина . По полученным значениям и S можно строить кривую распределения погрешности.
Среднее квадратическое отклонение определяет форму кривой Гаусса. Так, с уменьшением s будет возрастать высота кривой, с увеличением – кривая больше растягивается по оси абсцисс, что характеризует большее рассеяние размера.
Определение процента исправимого и неисправимого брака.
Рисунок 3 – Виды брака
Если взять кривую распределения и выделить в ней какой-то участок со значением абсцисс x1-x2, то площадь под кривой F будет выражать вероятность появления деталей в партии, имеющих размеры в пределах x1-x2. Эта площадь может быть выражена интегралом:
(5)
Подставляя значения y из уравнения Гаусса, получим
(6)
Если значения x выразить в долях S, где , то (формула Лапласа для частного отрезка от 0 до z).
Эта формула позволяет найти практически вероятное число деталей в партии, имеющих заданные значения, т.е. позволяет решать задачу нахождения процента деталей, попадающих в пределы поля допуска при заданном положении кривой рассеивания.
Процент брака определяют следующим образом. Для данной партии деталей подсчитывают значения S и x, по ним находят z, а в зависимости от z определяют F(z). Это значение F(z) называют функцией Лапласа, ее значения даются уже подсчитанными в таблицах, в зависимости от z.
Для того чтобы добиться высокой точности обработки, необходимо знать факторы, вызывающие погрешности.
Все погрешности определяются состоянием системы: станок - приспособление – инструмент - деталь и могут зависеть от свойств древесины; методов и приемов обработки; выбора технологических баз; точности применяемых станков, инструментов и приспособлений; точности настройки; размеров обрабатываемых деталей и т.д.
Погрешности от неоднородности свойств древесины. Древесина обладает гигроскопичностью, а отсюда и большим колебанием ее влажности, что сопровождается усушкой или разбуханием. Последние имеют различную степень в различных направлениях от волокон, поэтому возникает коробление. Таким образом, от изменения влажности меняется форма и размеры детали, особенно в поперечном сечении. Для предотвращения усушки или разбухания необходимо обрабатывать материал, высушенный до эксплуатационной влажности. Еще лучше, если древесина будет высушена до влажности на 1-2 % меньше эксплуатационной; последующее, очень незначительное разбухание будет способствовать уплотнению соединений в изделии.
На точность формы может также влиять неравномерность сушки материала в камерах. Иногда влажность центральной части выше, чем в периферийной. После снятия сухого слоя на станках древесина коробится из-за дальнейшей усушки.
Кроме того, неправильный режим сушки может вызывать внутренние напряженность, а отсюда – и коробление, которое появляется сразу после сострагивания первого слоя.
Менее значительное влияние на точность может оказывать разница в твердости древесины. Механическая обработка древесины всегда связана с упругим отгибом режущего инструмента и упругим снятием обрабатываемой поверхности. После обработке поверхность снова восстанавливается. Величина упругого восстановления поверхности среза древесины зависит не только от твердости, но и от породы, направления перерезания волокон, остроты пил и режима обработки. Обычно эта величина колеблется в пределах 0,01-0,2 мм не только в партии деталей, но и на протяжении одной детали. В результате может возникнуть погрешность размера и не прямолинейность пропила. Настройка станка на определенный размер деталей из мягкой породы может быть не пригодна для обработки деталей твердых пород.
Погрешности от неточности выбора технологических баз. Одной из причин образования погрешностей обработки является неточность установки заготовки в станке. Эти погрешности могут увеличиваться при несовпадении поверхности обработки с базовыми поверхностями, от которых производится отсчет расстояний. Различают базы конструктивные и технологические.
Конструктивные базы представляют собой совокупность поверхностей, линий или точек, по которым производится определение положения рассматриваемой на чертеже поверхности, линии или точки. Это могут быть осевые линии, отдельные поверхности. Конструктивные базы могут быть материальными и нематериальными.
В процессе обработки надо стремиться к тому, чтобы обрабатываемые поверхности все время были ориентированы относительно однажды принятой базы.
В технологическом процессе изготовления используются технологические базы, которые всегда материальны. Они могут быть установочными, сборочными и измерительными.
Установочной базой называется совокупность поверхностей заготовки, с помощью которых определяется их положение во время обработки относительно режущего инструмента.
Установочные базы могут быть черновыми и чистовыми. Черновыми базами могут служить еще не обработанные, грубые поверхности досок, заготовок. Чистовыми являются базы, образуемые чисто обработанными поверхностями. Чем точнее и чище база, тем лучше базирование и меньше погрешность обработки.
Рисунок 4 – Пример применения черновых и чистовых баз
Базирование необходимо не только при механической обработке, но и при сборке, где используются сборочные базы.
Сборочной базой называется совокупность поверхностей детали, которые определяют положение ее деталей в изделии по отношению к другим деталям. Например, у брусков, собираемых в рамку с помощью открытого сквозного шипа, сборочной базой поперечных брусков будут боковые поверхности шипов и их заплечики.
При измерении деталей и отдельных их элементов пользуются измерительными базами, представляющими собой совокупность тех поверхностей, от которых при обработке заготовок производят отсчет размеров.
Точность станков определяется технологической и геометрической точностью. Технологическая – указывает на точность обработки деталей, геометрическая – на точность элементов станка, на точность их относительного перемещения, на жесткость технологической системы.Погрешности обработки могут быть вызваны ошибками элементов, несущих режущие инструменты, и элементов, базирующих и перемещающие заготовки. Первые элементы, валы и шпиндели, могут иметь радиальное и осевое биение, неточную установку по отношению направления подачи, торцовое биение пильных дисков и т.д.
В зависимости от схемы обработки деталь может перемещаться относительно инструмента с неподвижным суппортом или обрабатываться в позиции перемещающимся инструментом. Подающие механизмы могут быть выполнены в виде цепных транспортеров, кареток, штанговых механизмов, перемещающихся суппортов. Поэтому на точность обработки может влиять вытяжка цепей и ошибки их по шагу; скручивание вала, несущего туеры или зубчатые колеса; неточность установки толкающих упоров; не параллельно и не прямолинейно и зазоры в них.
Точность временных деревянных приспособлений должна в 2 раза превышать требующуюся точность деталей, для изготовления которых предназначены приспособления.
Точность режущего инструмента чаще оказывает непосредственное влияние на точность обработки деталей. Диаметром сверл определяется диаметр отверстий, шириной пильной цепочки определяется ширина гнезд в деталях. Профиль ножей или фрез переносится на деталь, от этого зависит точность профиля детали. Кроме того, при обработке происходит затупление режущих инструментов. От этого изменяются размеры поверхности обработки, а также появляются тепловые деформации, которые у круглых пил могут привести к потере их жесткости, а отсюда - и к погрешностям обработки. В последнее время для уменьшения погрешностей используют режущие инструменты с твердосплавными зубьями.
Во время обработки, когда части станка, испытывают напряжения от усилий резания и подачи, возникают деформации этих частей и инструмента, а высокие скорости вращения рабочих шпинделей, валов вызывают появление вибраций. Все это отражается на точности обработки.
Заключение
В заключении рассмотрим виды погрешности.
Виды погрешностей. Все первичные (элементарные) погрешности обработки можно разделить на систематические постоянные, систематические переменные и случайные. Систематическими постоянными погрешностями называют такие, которые при обработке партии заготовок постоянны по значению и знаку. Систематическая постоянная погрешность появляется, например, вследствие погрешности в размере режущего инструмента (зенкера, развертки и др.) или в результате неточности профиля фасонного резца, протяжки и др. Систематическим и переменными погрешностям и называют такие, которые в процессе обработки закономерно изменяются по времени, т. е. в зависимости от числа изготовленных изделий. К этой группе относится погрешность, вызываемая износом режущего инструмента, и погрешность, обусловленная тепловыми деформациями элементов технологической системы в период работы станка. Случайными погрешностям и называют такие, которые для заготовок данной партии имеют различные значения, причем появление таких погрешностей и точное их значение заранее предсказать невозможно. К случайным относятся погрешность установки заготовки, погрешность установки режущего инструмента при наладке станка, погрешность, обусловленная упругими отжатиями элементов технологической системы. Например, изменения значений упругих отжатий элементов зависят от неравномерной твердости заготовок, oт колебаний припуска на обработку, которые носят случайный характер.
Список литературы
1. Справочник технолога-машиностроителя / под ред. А.Г. Косиловой. Т.2 - М.: Машиностроение, 1985. – 496с.;
2. Справочник технолога-машиностроителя / под ред. А.Г. Косиловой. Т.1 - М.: Машиностроение, 1985. – 656с.;
3. Справочник инструментальщика / И.А. Ординарцев и др. - Л.: Машиностроение, 1987. – 846с.;
4. Михайлов А.В., Расторгуев Д.А., Схиртладзе А.Г. Основы проектирования технологических процессов механосборочного производства - Тольятти: ТГУ -2004. – 365 с.;
5. Раскатов В.М., Чуенков В.С., Бессонова Н.Ф., Вейс Д.А. Машиностроительные материалы. Краткий справочник. - М.: Машиностроение, 1980. – 511с.