Чпу высокой точности. Влияние жесткости токарных станков с чпу на точность деталей. Общие сведения о станках с ЧПУ

Работая в автоматическом или полуавтоматическом режиме станок с ЧПУ прежде всего должен обеспечить точность изготовляемых деталей, которая зависит от суммарной погрешности. Суммарная погрешность в свою очередь складывается из ряда факторов:

Точность станка;

Точность системы управления;

Погрешности установки заготовки;

Погрешности наладки инструментов на размер;

Погрешности наладки станка на размер;

Погрешности изготовления инструмента;

Размерный износ режущего инструмента;

Жесткость системы СПИД.

Под точностью станка понимают, прежде всего, его геометрическую точность, т.е. точность в ненагруженном состоянии. Различают станки четырех классов точности: Н (нормальной), П (повышенной), В (высокой), А (особо высокой). При проверке станков на соответствие нормам точности выявляют точность геометрических форм и положения базовых поверхностей, точность движений по направляющим, точность расположения осей вращения, точность обработанных поверхностей, шероховатость обработанных поверхностей.

Точность станков с ЧПУ характеризуют дополнительно следующие специфические проявления: точность линейного позиционирования рабочих органов, величина зоны нечувствительности, т.е. отставание при смене направления движения, точность возврата, стабильность выхода в заданную точку, точность в режиме круговой интерполяции, стабильность положения инструмента после автоматической смены.

Следует отметить, что для станков с ЧПУ стабильность выхода рабочих органов в заданную точку часто важнее чем сама точность станка. Для сохранения точности станка в течении длительного времени эксплуатации нормы геометрической точности при изготовлении станка по сравнению с нормативными ужесточают на 40%, резервируя тем самым запас на изнашивание.

Точность системы управления. Точность системы управления, прежде всего, связывают с работой в режиме интерполяции – режим при котором система осуществляется управления одновременно несколькими осями. Отклонения, связанные с работой интерполятора не превышают цены дискреты. Для современных станков с ценой единичных импульсов 0,001-0,002 мм погрешность является незначительной, но проявляется в виде отклонений микрогеометрии, т.е. шероховатости.

Весьма существенными могут оказаться погрешности, не зависящие от работы интерполятора, но проявляющиеся в режиме интерполяции. Их причиной является систематическая ошибка в передаче движения приводами подач. Эти ошибки возникают в кинематической цепи двигатель привода подач – редуктор – ходовой винт – датчик. При движении по одной оси такие ошибки проявляются виде неравномерности движения рабочих органов и практически не влияют на результат обработки. Однако при движении по нескольким осям неравномерность движения даже по одной оси приводит к погрешности обработки виде волнистости обработанной поверхности.

Погрешности установки заготовок. Погрешность установки определяется суммой погрешностей базирования и закрепления. Погрешность базирования возникает вследствие несовмещения установочной базы с измерительной. На станках с ЧПУ имеется возможность достижения более высоких точностей, когда за один установ обрабатывают измерительные базы и все поверхности, размеры которых отсчитаны от этих баз.

При закреплении заготовок возможны ее смещения под действием зажимных сил. Смещение заготовки из положения определяемого установочными элементами приспособления, происходит вследствие деформаций отдельных звеньев цепи: заготовки, установочных элементов, корпуса приспособления. В связи с неоднородностью качества поверхностей и нестабильностью удельных нагрузок компенсировать возникающие деформации при помощи коррекции инструмента невозможно.

Погрешности наладки инструментов на размер. При наладке инструмента на размер вне станка независимо от точности используемого прибора возникают погрешности. Эти отклонения определяются погрешностью самого прибора и погрешностью закрепления налаженного на размер инструмента. Такую погрешность компенсируют после пробного прохода.

Погрешности наладки станка на размер. Наладка станка на размер заключается в согласованной установке налаженного на размер режущего инструмента, рабочих элементов станка и базирующих элементов приспособления в положение, которое с учетом явлений происходящих в процессе обработки, обеспечивает получение требуемого размера. Погрешность наладки станка возникает вследствие того, что невозможно расположить рабочие элементы станка и инструменты точно в расчетное положение. Для обеспечения требуемой точности изготовления наладчик использует пробные ходы. Под регулировкой установочного размера понимают восстановление установочного размера, изменившегося вследствие размерного изнашивания инструментов или температурной деформации системы. Для того чтобы сократить количество подналадок на протяжении обработки партии деталей необходимо правильно выбрать установочный размер. Рекомендуется установочный размер выбирать таким образом, чтобы он отстоял от нижней или верхней границы поля допуска на 1/5 поля. Ближе к нижней границе следует налаживать инструменты при обработке наружных поверхностей, а ближе к верхней при обработке внутренних поверхностей.

Погрешности изготовления инструмента. При фасонной токарной обработке поверхность формируется различными точками, лежащими на закругленной части резца. Современные УЧПУ позволяют программировать коррекцию на радиус инструмента. При отсутствии такой возможности необходимо радиус закругления при вершине резца учитывать при составлении программы обработки. Необходимо помнить о том, что для режущий инструмент изготавливают с некой допустимой погрешностью, которую также необходимо учитывать при программировании обработки.

Размерный износ режущего инструмента. В процессе обработки режущий инструмент подвержен изнашиванию, что в свою очередь влияет на погрешность обработки. Критерием износа является размер площадки износа по задней грани. Изнашивание инструмента вносит в первоначальную наладку систематическую погрешность т.е. действительный размер обработанной поверхности выходит за пределы поля допуска, через некоторый интервал времени, требуется подналадка. Период подналадки зависит от интенсивности изнашивания инструмента. Коррекция (подналадка) на износ инструмента может быть автоматической или ручной. При ручной коррекции оператор вносит изменения в наладку через определенный интервал времени, а при автоматической коррекцию размера осуществляет система ЧПУ по программе.

Жесткость системы СПИД. Упругие деформации. Как отмечалось ранее, система СПИД представляет собой упругую систему. Под жесткостью упругой системы понимают ее способность оказывать сопротивления деформирующему действию. При недостаточной жесткости под действием сил резания происходит деформация системы СПИД, что вызывает погрешности формы и размеров обработанной поверхности. Погрешности связанные с недостаточной жесткостью системы тем выше, чем выше нагрузки (т.е. чем больше силы резания). Для уменьшения указанных погрешностей необходимо уменьшить размер снимаемого за один проход слоя металла. Необходимо отметить, что станки с ЧПУ как правило имею жестокость на 40-50% выше чем универсальное оборудование, что позволяет вести обработку за меньшее количество проходов.

Тепловые деформации и деформации от внутренних напряжений заготовки. В процессе работы оборудования происходит нагрев всех элементов и узлов станка. Эти деформации весьма существенны, например нагрев стального стержня длиной 1м на 1º С приводит к удлинению его на 11 мкм.

Тепловые деформации протекают интенсивно в начальный период работы станка после чего величина деформации стабилизируется и не влияет на дальнейшую работу. Изменения протекающие в начальный период могут значительно повлиять на точность обработки, поэтому необходим прогрев станка до начала обработки деталей. Также следует избегать продолжительных остановок оборудования.

Тепло, выделяемое в зоне резания, способствует нагреву заготовки, особенно при многопроходной черновой обработке на высоких скоростях резания. При этом происходит ее деформация. Для того, чтобы получить высокую точность необходимо перед началом чистовой обработки обеспечить охлаждение заготовки. Для этих целей применяют обработку с использованием СОЖ, а при обработке нескольких заготовок (на многоцелевых) станках используют также рациональную схему обработки, при которой осуществляется выдержка времени на стабилизацию температуры. Кроме того, высокоточные станки устанавливают в термоконстантных помещениях.

Заготовкам присущи внутренние напряжения, образующиеся при неравномерном охлаждении отдельных частей заготовки при их изготовлении. С течением времени внутренние напряжения выравниваются, а заготовка деформируется. Особенно активно протекает процесс деформации после снятия поверхностных слоев, имеющих наибольшие напряжения. Для уменьшения воздействия таких деформаций следует разделять черновые и чистовые деформации, а для получения высокоточных деталей следует между черновой и чистовой операцией выполнять естественное или искусственное старение.

Точность станков в ненагруженном состоянии называют геометрической. В зависимости от точностной характеристики станки с ЧПУ подразделяют в порядке возрастания точности на четыре класса: нормальной Н ; повышенной П ; высокой В ; особо высокой А .

Станки повышенной точности отличаются от станков нормальной точности в основном более точным выполнением или подбором деталей, а также отдельными особенностями монтажа и эксплуатации у потребителей. Они обеспечивают точность обработки в среднем в пределах 0,6 отклонений, получаемых на станках нормальной точности. Станки с ЧПУ высокой точности класса В обеспечивают точность обработки в пределах 0,4, а станки класса А - в пределах 0,25 отклонений, получаемых на станках нормальной точности. Станки классов В и А получают в результате специального конструктивного исполнения, их узлов и элементов, а также высокой точности изготовления.

При проверке норм точности станков устанавливают* точность геометрических форм и относительного положения опорных поверхностей, базирующих заготовку и инструмент; точность движений по направляющим рабочих органов станка; точность расположения осей вращения и траекторий перемещений рабочих органов станка, несущих заготовку и инструмент, относительно друг друга и относительно базирующих поверхностей; точность обработанных поверхностей образца; шероховатость обработанных поверхностей образца.

Проверка точности

Точность станков с ЧПУ выявляется дополнительно следующими специфическими проверками: точностью линейного позиционирования рабочих органов; величиной зоны нечувствительности, т. е. отставанием в смещении рабочих органов при смене направления движения; точностью возврата рабочих органов в исходное положение; стабильностью выхода рабочих органов в заданную точку; точностью отработки круга в режиме круговой интерполяции; стабильностью положения инструментов после автоматической смены.

При проверках выявляют как точность, так и стабильность, т. е. многократную повторяемость прихода рабочих органов в одно и то же положение, причем зачастую стабильность важнее для достижения точности обработки на станках с ЧПУ, чем сама точность.

Общая допускаемая ошибка при позиционировании рабочих органов Δ р = Δ + δ.

Исходя из допускаемых отклонений, наибольшая погрешность в отработке перемещения, например, длиной в 300 мм по осям X и Y для станка класса П составит 17,2 мкм, а для станка класса В - 8,6 мкм.

Для сохранения станком точности в течение длительного времени эксплуатации нормы геометрической точности почти на все проверки при изготовлении станка, по сравнению с нормативными, ужесточают на 40 %. Тем самым завод-изготовитель резервирует в новом станке запас на износ.

ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ТОЧНОСТЬ ТОКАРНОГО

СТАНКА С ЧПУ

Доц, В.В. ДО ДОНОВ, доц. Ю.В. НИКУЛИН

В статье рассмотрены вопросы формирования точности токарных станков. Представлены экспериментальные методы оценки точности вращения шпиндельного узла по параметрам его круговых траекторий с приложением и без приложения к нему рабочих нагрузок; обсуждаются вопросы определения точности перемещения суппорта станка, влияние тепловых деформаций станка на его точность. Приводится схема измерительно-испытательной установки и результаты измерения параметров, характеризующих точность токарных станков

Questions of precision quality shaping of lathes are examined in this article. Experimental methods of an exactitude estimation of a head slide rotation on parameters of its circular trajectories with and without the application of working loadings are presented. Also questions of running accuracy of a planing tool box, influence of thermal strains of the machine tool on its exactitude are discussed. The scheme of measuring and presetting station and results of measurements on parameters describing exactitude of

lathes are presented in conclusion.

Повышение качества металлорежущих станков - одна из основных проблем современного машиностроения. Технологический процесс обработки резанием должен гарантированно обеспечивать заданное качество изготовления деталей в соответствии с установленными чертежами, технологическими требованиями. Важнейшая компонента, средство реализации технологического процесса - металлорежущий станок- это сложная прецизионная технологическая машина, формирующая показатели качества обрабатываемых на ней деталей. Уровень качества металлорежущего станка определяется, в основном, требованиями к точности обрабатываемых деталей - точность размеров, формы, взаимного расположения, обрабатываемых поверхностей, шероховатость, волнистость. Более высокие требования к станкам возникают при окончательной обработке, формирующей параметры жесткости обрабатываемого изделия. Ввиду этого показатели жесткости металлорежущего станка являются основными показателями, от реализации которых зависит эффективность его применения.

Испытания токарных станков на геометрическую и кинематическую точность включают проверки точности вращения шпинделя, прямолинейности направляющих, прямолинейности перемещения суппортов, оценивается правильность взаимного движения узлов станка, параллельность и перпендикулярность направляющих и оси шпинделя.

Испытания станков на статическую жесткость предусматривают измерение деформаций под рабочей нагрузкой узлов токарного станка - шпиндельного узла и суппорта. Динамические процессы в станке при обработке резанием измеряется при испытаниях станка на виброустойчивость , которая оказывает непосредственное влияние на точность формы обработанной детали, волнистость и шероховатость обработанной поверх-

ности. При повышении требований к точности обработки все более возрастающую роль в формировании точности обработки играть тепловые деформации .

Точности обработки на токарных станках во многом определяется геометрической точностью станков, геометрической точностью шпиндельного узла (ШУ), приво-

да продольной и поперечной подачи, несущей системой станка, что, в основном, определяет точность взаимного положения инструмента и детали в процессе обработки , .

Точность обработки на токарных станках определяется комплексным влиянием входящих в технологическую систему станка подсистем, факторов, компонент (рис. 1).

Рис. 1. Технологическая система станка

Точность металлорежущих станков определяется тремя группами показателей : 1) показатели, характеризующие точность обработки образцов изделий; 2) показатели, характеризующие геометрическую точность станков; 3) дополнительные показатели.

Геометрическая точность станка характеризуется такими группами показателей : точность траекторий перемещения рабочих органов станка, несущих заготовку и инструмент; точность расположения оси вращения и направления прямолинейных перемещений рабочих органов станка, несущих заготовку и инструмент, относительно друг друга и относительно баз; точность баз дня установки заготовки и инструмента; точность координатных перемещений (позиционирования) рабочих органов станка несущих заготовку и инструмент.

Предусмотренные стандартами и техническими условиями проверки геометрической точности отражают влияние точности станка на точность обработки.

Зажим, вращение и обработка изделия на токарном станке осуществляются с помощью шпиндельного узла.Токарный станок является основной подсистемой во многом определяющей качество обработки: точность, чистота поверхности, волнистость. Существенный вклад в формирование качества обработки вносят и другие подсистемы и факторы: погрешности приспособления, погрешности ШУ, точность работы приводов подачи станка, систем управления и измерения, свойства заготовки .

Максимальная точность обработки диаметральных размеров на современных токарных станках оценивается величинами 0,5,. Л мкм , поэтому при разработке основных формообразующих узлов токарного станка - ШУ и приводов продольной и поперечной подачи предъявляются очень жесткие требования, так как их геометрические погрешности должны быть меньше суммарного допуска на обработку.

Для экспериментального определения параметров и характеристик круговых траекторий ШУ, определяющих допустимую жесткость токарной обработки на кафедре станков и автоматов МГТУ им. Н.Э.Баумана разработана измерительная установка, схема которой представлена на рис. 2.

Схема испытательной установки

Тензометрический усилитель

Цифровой вольтметр

Таблица координат по оси X

Таблица координат по оси У

Траектория

оси шпинделя

Рис. 2. Схема испытательной установки

В схему испытательной установки (информационно-измерительный канал (ИИК) круговые траектории (КТ)) входят следующие измерительные приборы и оборудование: датчики Д1-Д4 (первичные бесконтактные преобразователи информации индуктивного типа); тензометрический усилитель типа УТ4-1; аналого-цифровой преобразователь; персональная ЭВМ для сбора результатов эксперимента, обработки и отображения их на графическом мониторе, печатающем и графопострои-тельном устройствах; гидравлическое нагрузочное устройство (ГНУ), служащее для имитации сил резания. ГНУ, представляет собой два взаимно перпендикулярных нагружающих гидроцилиндра, закрепленные на общем кронштейне в суппорте испытуемого станка.

Испытательно-измерительная установка содержит два канала измерения: по координате X и по координате К Основные технические характеристики испытательно-измерительной установки:

диапазон измерения смещений оси ШУ по каждому каналу, мкм...........................20

диапазон частоты вращения ШУ, на которых осуществляется измерение,

об/мин..........................................................................................................................±6000

быстродействие первичных преобразователей, мс...............................................-0,003

максимальная погрешность измерения, мкм............................................................±0,5

Точность вращения шпинделя на холостом ходу станка зависит от математического ожидания и среднеквадратического отклонения значений эксцентриситетов для каждой /-ой опоры шпинделя от четырех видов погрешностей: биение шейки относительно его осей; биение дорожки качения внутреннего кольца подшипника относительно посадочного отверстия; биение дорожки качения наружного кольца подшипника относительно его наружной поверхности; несоосность посадочного отверстия под подшипник в шпиндельной бабке (пиноли).

отклонения

биения шпиндельного узла токарного станка СТП-125 дал следующие результаты:

влияющим на точность токарного станка является суммарная

кам сил резания задавались с помощью ГНУ

Сила резания Ру

125 250 500 1000 2000

(шкапа неравномерная)

Перемещение по оси 1

Рис. 3. Графики зависимостей

В МГТУ им. Н.Э. Баумана, на кафедре металлорежущих станков был разработан стенд для измерения круговых траекторий (КТ) шпиндельного узла (ШУ). В качестве объекта испытаний был использован станок СТП-125. Были проведены пробные испытания ШУ по параметрам КТ,

Проведение предварительных испытаний. Условия проведения испытаний. Испытания проводились на разогретом в течение 2-3 часов станке при повороте ШУ вручную, при холостом ходе с разным числом оборотов вращения ШУ, под нагрузкой, создаваемой гидравлическим нагрузочным устройством (ГНУ). В последнем случае варьировали как числом оборотов л, так и величиной нагрузки Р (рис. 3), радиально нагружающей специальную оправку, вставленную в ШУ. Радиальные смещения ШУ измерялись вдоль координат А" и Ус помощью 4-х индуктивных бесконтактных преобразователей, работающих на несущей частоте 5200 Гц, Сигнал с индуктивных преобразователей поступал на четырехканальный тензоусилитель, а затем, после АЦП и ЭВМ, - на графопостроитель.

Результаты предварительных испытаний приведены на рис. 4-6. Испытания проводились на холостом ходу при п = 100 . На рис. 5 и 6 приведены типичные траектории оси ШУ, выведенные на экран ЭВМ.

Точность вращения шпинделя зависит от точности изготовления его деталей, точности подшипников, качества его сборки и регулировки. Погрешности вращения шпинделя, в первую очередь, определяются разностенностью колец подшипника и разноразмерное-

Рис. 4. Биение оси шпинделя на холостом ходе

Рис, 5. Траектория оси шпиндельного узла

Рис. 6. Траектория оси шпиндельного узла

тью тел качения. Эта погрешность у подшипников малых и средних размеров лежит в пределах 1...10 мкм (в зависимости от класса точности и размера подшипника).

Волнистость дорожек и геометрические погрешности тел качения вызывают меньшие смещения шпинделя порядка 0,1... 1 мкм и накладываются в виде высококачественных составляющих на погрешности от разностенности колец.

Еще более высокую частоту и меньшую амплитуду колебаний шпинделя вызывает шероховатость дорожек качения. Сложение этих колебаний вызывает сложную, комплексную картину перемещения оси шпинделя в пространстве (фигуры Лиссажу, перемещение оси шпинделя по гипоциклоиде или эпициклоиде с различным числом петель).

Большое влияние на точность вращения шпинделей станков, особенно высокоскоростных, оказывает остаточный дисбаланс, который определяется в [Н мм/Н] либо в виде эксцентриситета е в [мкм], который определяет действительное смещение центра тяжести шпинделя относительно оси вращения . Одеваемый на шпиндель патрон также должен быть отбалансирован .

Результаты испытаний на холостом ходу при проворачивании ШУ от руки вывести на ЭВМ не представляется возможным из-за особенностей программного обеспечения ЭВМ. Однако измерения радиального биения ШУ с помощью датчиков показало, что его численная величина находится в пределах 1,5-2,5 мкм по обеим координатам X и У и по своей величине несколько меньше соответствующего радиального биения при измерении ШУ на холостом ходу без нагрузки.

Испытания биения ШУ без нагрузки на холостом ходу проводились при различных числах оборотов ШУ: п = 10, 30, 70, 100, 160, 220, 300, 450, 600, 800, 1000, 1300, 2000 об/мин (рис. 7),

100 " 200 " 300 " 400 500 600 ,~700 " 8СО 900 " 1000 " 1100 " 1200 " 1300

Рис, 7. Биение шпиндельного узла на холостом ходу без нагрузки на различных оборотах вращения

Испытания показали, что с ростом числа оборотов ШУ радиальное биение монотонно возрастает до п = 500-600 об/мин, а затем скорость увеличения амплитуды радиального биения имеет тенденцию к некоторому увеличению. Измерения проводились при одетом патроне.

Шпиндельный узел представляет собой сложную механическую систему, состоящую из упругих элементов нескольких типов: подшипника, вала, фланцев, втулок, пружин, связанных между собой, воздействующих друг на друга и образующих единое техническое устройство, в котором протекают сложные процессы, каждый из которых может быть описан своей математической моделью .

Наиболее существенные модели: упругодеформационная, динамическая, вибрационная, трибологическая, тепловая, усталостного разрушения.

Входами этих моделей являются конструктивные и технологические факторы проектирования и изготовления шпинделя, условия эксплуатации. Выходные параметры моделей - это жесткость, вибрации, момент трения, быстроходность, технический ресурс, теплоустойчивость, усталостная долговечность и другие расчетные параметры, характеризующие в том числе и геометрическую точность станка и точность обработки на нем детали.

При испытании ШУ при снятом патроне с фиксированной частотой его вращения (п = 1000 1/мин) и нагрузке, которая задавалась гидравлическим нагрузочным устройством, круговая траектория ШУ несколько расширялась по своему среднему диаметру (увеличение Ах и Ду) и смещалась в направлении действия нагрузки

%=№ - р; (рис- 8)-

В результате предварительных испытаний определялась также зависимость амплитуды колебаний ШУ от частоты (АЧХ*). Исследования проводились с помощью специального анализатора спектра колебаний типа СК4-72 Сигнал поступал с датчиков перемещений на вход анализатора, строились АЧХ колебаний ШУ при различных частотах его вращения.

Амплитуды А и В АЧХ примерно соответствуют по частоте колебаниям ШУ от колебания жесткости, вызванного 18 опорами качения переднего подшипникового узла и колебаниями зубчатого приводного ремня.

При работе станка между заготовкой и инструментом возникают относительные колебания, вызывающие те или иные погрешности обработки. Для снижения уровня этих колебаний и по-

вышения устойчивости динамической системы станка проводят построения форм колебаний шпиндельного узла и суппорта. Форма колебаний характеризуется совокупностью отношений перемещений отдельных колеблющихся

точек упругой системы к перемещению какой-либо одной точки, взятых в определенный момент времени (с учетом сдвига фаз) для определения частоты и направления колебаний. Рабочий диапазон частоты колебаний находится обычно в пределах от 10 до 500 Гц.

Для повышения точности измерения желательно использовать избыточное число точек измерения вибраций. Вибрации измеряют, как правило, в 2--3-х взаимно перпендикулярных направле-

Рис. 8. Круговая траектория шпиндельного узла под

нагрузкой

Форму колебаний измеряют виброметрами, которые могут работать в режимах измерения виброперемещения, виброскорости и виброускорения. Первый режим используется в низкочастотной области (до 200 Гц), второй предпочтителен для частот (100-400 Гц), третий используется для более высокочастотных рабочих диапазонов виброметрирования.

Траектория какой-либо фиксированной точки на торце шпинделя с достаточно большим приближением отражает форму поперечного сечения обрабатываемой детали. Степень этого приближения определяется, кроме того, и радиальным смещением инструмента, закрепленного на суппорте при поперечной подаче и отклонениями траектории

суппорта от прямолинейного движения при продольной подаче.

Были определены теоретически и проверены экспериментально (рис, 9) данные о точности диаметральных размеров изготовляемой детали. Она зависит от точности позиционирования Д поз привода поперечной подачи, т.е. от отклонения действительного положения привода Х1 от заданного программой X при многократном двустроннем позиционирова-

нии, Методами математической статистики при испытаниях приводов определяются X л и

Средние арифметические значения положения привода при позиционировании в

среднее ар!

е того, определяются средние квадратические отклони ческое значение действительного положения привода.

X = (X п + X „)/2; За ■- величина зоны рассеивания;

/ - ! X + X . | - зона нечувствительности, возникающая при реверсе привода

поперечной подачи (рис. 9).

Измеренное на станке максимальное значение оказалось равной 5,5 мкм. Реальная погрешность от Д при обработке детали будет зависеть от диаметра обработки.

к Д поз, мкм

Рис. 9. График погрешностей двустороннего позиционирования револьверной головки станка СТП-125 при

поперечном перемещении

1. Разработана и опробована испытательно-измерительная установка для измерения параметров круговых траекторий шпиндельного узла токарного станка с ЧПУ.

2. В результате испытаний токарного станка СТП-125 получены результаты влияния внешних возмущающих воздействий (сил резания, смещения шпинделя) на параметры круговых траекторий шпиндельного узла.

3. Проведена оценка влияния погрешностей позиционирования поперечного суппорта на точность обработки.

4. Показаны пути и возможности диагностирования шпиндельного узла и суппортной группы токарного станка с ЧПУ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. VDI Richtlinien 2060, «Нормы для балансировки вращающихся твердых тел». -1980.

2. ГОСТ8-82Е, «Станки метет л о режу щи е. Общие требования к испытаниям на точность». - М.: Изд-во Стандартов, 1982. - 10 с.

3. Проников А. С. Программный метод испытания металлорежущих станков. - М.: Машиностроение, 1985. - 288 с.

4. Адаптивное управление станками. / Под ред. Балакшина. - М.: Машиностроение, 1973. - 688 с.

5. Конструкции и программные испытания шпиндельных узлов металлорежущих станков / Л.И. Вереина, В.В, Додонов. - М.: ВНИИТЭМР, 1991. - Вып. 1.

6. Фигатнер А.М. Расчет и конструирование шпиндельных узлов с подшипниками качения металлорежущих станков. - М.: НИИМАШ, серия С-1, 1971.

7. Расчет высокоскоростных шпиндельных узлов / В.Б. Бальмонт. - М.: ВНИИТЭМР, 1987. - Сер. I. - Вып. 1. - 52 с.

Выходные параметры станка по показателю точности

При оценке качества итехнического уровня станка в первую очередь необходимо установить те выходные параметры, которые характеризуют его точность. При этом точность обработанных на станке деталей не может быть выбрана в качестве такого параметра, так как она является результатом влияния всех компонентов технологической системы (инструмента, заготовки и др.). Поэтому при проектировании станка надо установить и регламентировать те параметры, которые определяют точность обработки и являются входными для технологической системы (см. рис. 2.1).

Качество станка зависит от того, с какой степенью точности выполняются заложенные в технологическом процессе обработки взаимные перемещения инструмента и заготовки при воздействии на станок всего комплекса силовых и тепловых факторов. Поэтому основными выходными параметрами станка как элемента технологической системы являются характеристики точности движения его формообразующих узлов.

Получать эти характеристики можно одним из следующих способов.

1.Оценивать те параметры траекторий формообразующих узлов станка, которые влияют на точность обработки. При этом траектории относятся к установочным базам станка, определяющим положение приспособления, заготовки или инструмента.

2.Оценивать суммарное влияние параметров траекторий рабочих органов станка на формирование так называемого «геометрического образа» обработанной детали, когда определены ее погрешности без учета влияния на точность других компонентов технологической системы.

Основная цель регламентации выходных параметров станка - создание такого технологического оборудования, погрешность работы которого находилась бы в течение всего периода эксплуатации в пределах, установленных технологом.

Траектории формообразующих узлов, параметры которых устанавливают в качестве выходных, относятся к специально выбранным опорным точкам, которые располагают на установочных базах станка, определяющих положение заготовки, приспособления или инструмента. Число опорных точек и их расположение связано с методом обработки, конструктивной схемой станка, характером движения его формообразующих органов и методом крепления заготовки и инструмента.

Поскольку положение твердого тела в пространстве определяют три фиксированные точки или параметры пространственного вектора, отнесенного к одной точке, то в общем виде необходимо установить шесть координат (например, три линейных и три угловых отклонения вектора данной точки от заданного положения). Однако при рассмотрении различных конструкций формообразующих узлов станка число этих характеристик может быть уменьшено, если отдельные отклонения не оказывают существенного влияния (слагаемые второго порядка малости) на точность обработки.

Рис. 2.3. Опорные точки формообразующих узлов станка:
а - суппорт; б - стол; в - шпиндель

На рис. 2.3 показаны типичные случаи выбора опорных точек. Для характеристики точностных параметров суппорта токарного станка достаточно одной опорной точки 1, совпадающей с вершиной резца (рис. 2.3, а), поскольку целью при создании конструкции суппорта является стремление к обеспечению прямолинейной траектории для инструмента, которая не изменяет своей формы и положения при силовых воздействиях и различных положениях инструмента в рабочем пространстве. Траектория данной опорной точки будет служить характеристикой возможностей суппорта по обработке заданной номенклатуры деталей с обеспечением точности размера, формы обработанной поверхности, волнистости, шероховатости и других показателей точности.

При движении стола с закрепленной на нем заготовкой (рис. 2.3, б) у фрезерных , расточных, шлифовальных и других станков необходимо оценить точность перемещения стола в пространстве. Положение заготовки или приспособления для ее закрепления определяется положением в пространстве плоскости стола. Поэтому в общем случае должны быть установлены либо три опорные точки 1 , 2, 3, траектории движения которых рассматривают, либо рассматривают вектор для одной из точек стола с характеристиками его положения в пространстве в каждой точке траектории (три линейных и три угловых отклонения от заданного положения при пространственном перемещении стола).

Для шпиндельного узла (рис. 2.3, в) точность его вращения и изменение положения оси шпинделя связаны с геометрической погрешностью элементов узла, с силовыми и тепловыми деформациями. Все это влияет на положение инструмента или заготовки, установленной в шпинделе с помощью приспособления (патрона, центра).

Когда положение патрона определяет плоскость переднего торца шпинделя, три фиксированные точки располагают на этой плоскости или, что более целесообразно, определяют для точки, находящейся в центре шпинделя, положение в пространстве вектора R , перпендикулярного к плоскости установочной базы. Характеристики траекторий опорных точек формообразующих узлов определяют качество станка с позиций возможного достижения точности обработки и его вклада в суммарную погрешность обработки .

Рис. 2.4. Типичные ансамбли траекторий при поступательном движении рабочего органа станка

При осуществлении на станке различных технологических процессов (в соответствии с его назначением и степенью универсальности) траектории опорных точек проявляются как случайные функции и образуют совокупности (ансамбли) траекторий. Такие совокупности могут иметь различный вид, характеризующий статистическую природу явлений (например, с сильным или слабым перемешиванием реализаций или с другими особенностями). На рис. 2.4 показаны типичные совокупности траекторий при поступательном движении рабочих органов станка (суппортов, столов, ползунов и др.).

Широкополосные ансамбли траекторий (рис.2.4, а) характерны для случая, когда основное влияние на форму траектории и ее смещение по отношению к средней линии или к неподвижной оси координат оказывают внешние силовые воздействия. Узкополосные ансамбли траекторий (рис. 2.4, б) характерны при превалирующем влиянии геометрической погрешности направляющих, что и определяет форму кривой математического ожидания траекторий М X . Дисперсия, связанная с силовыми воздействиями на узел, здесь играет второстепенную роль. Миграция совокупностей траекторий (рис. 2.4, в) вызвана, как правило, тепловыми деформациями узла.

Каждая реализация любой совокупности связана с параметрами точности той конкретной детали, которую при этом обрабатывали, а характеристики всего ансамбля влияют на точностные характеристики партии обработанных на станке деталей. Поэтому для каждой конкретной модели станка в зависимости от его назначения необходимо установить и регламентировать те параметры траекторий, которые определяют те или иные виды погрешностей, возникающие на обработанных поверхностях.

Как известно , погрешность обработки подразделяют на пять основных видов: погрешность размеров, отклонения расположения поверхностей, отклонения формы, отклонение параметров волнистости и шероховатости поверхности.

При назначении номенклатуры параметров траекторий рабочих органов станка учитывается их взаимосвязь с погрешностью обработки, которая зависит от метода обработки и кинематики процесса формообразования.

На рис. 2.5 показаны типичные траектории при поступательном движении формообразующего узла станка. Их параметры (Х 1 , Х 2 , ..., Х п), определяющие соответствующую погрешность обработки, приведены в табл. 2.2. Эти параметры связаны с размером и формой обработанной поверхности, точностью взаимного положения поверхностей, волнистостью и шероховатостью поверхности.

2.2. Выходные параметры станка по показателю точности

Для вращательного движения характерна передача погрешностей траектории опорной точки шпинделя (ее формы и высокочастотных составляющих) на обработанную поверхность цилиндрической детали (рис. 2.6).

Для периодических кривых разложение траектории в ряд Фурье позволяет выделить те параметры, которые определяют форму, волнистость и шероховатость обработанных поверхностей при токарной, расточной, шлифовальной и других операциях.

Анализ траекторий целесообразно осуществлять, рассматривая отклонение текущего радиуса R от номинального R0 в полярной системе координат, и определять

где f (φ) - погрешность траектории в функции текущего угла φ.

Разложим данную функцию в ряд Фурье с ограниченным числом членов:

где Сk - амплитуда k-гармоники; φ -начальная фаза; n - порядковый номер высшей гармоники полинома. Согласно теории Фурье нулевой член Со разложения является средним значением функции f(φ) за период 2π:

поэтому Со определяет значение погрешности размера.

Рис. 2.5. Типичные виды реализаций траекторий при поступательном движении

Первый член разложения C1cos(φ+φ) выражает несовпадение центра вращения шпинделя в О" с геометрическим центром траекторий О, т. е. эксцентриситет е = ОО", что определяет погрешность в отклонении расположения обработанных цилиндрических поверхностей (рис. 2.6, б). Остальные члены ряда, начиная со второго, определяют характеристику формы, которую образуют траектории и которая непосредственно связана с формой обработанной детали (овальностью и огранкой).

Рис. 2.6. Форма поперечного сечения обработанной цилиндрической поверхности (а) и траектория движения опорной точки шпинделя (б):
1- форма поверхности; 2 - волнистость; 3 - шероховатость; R д - номинальный радиус обработанной детали

При выборе номенклатуры выходных параметров данной модели станка и установлении их допустимых значений необходимо учитывать следующее.

1.Чем выше класс точности станка и требования к точности обработанных поверхностей, тем большее число назначают выходных параметров (характеристик траекторий формообразующих узлов) станка.

2.Допустимые значения выходных параметров станка составляют часть соответствующего допуска на изготовление детали, поскольку погрешность обработки зависит от всех компонентов технологической системы.

3.Расчет доли суммарной погрешности, приходящейся на станок и другие компоненты технологической системы, осуществляется методами, применяемыми в технологии машиностроения для расчета точности обработки

В первом приближении можно принимать допустимое значение для выходного параметра станка как долю от соответствующего допуска на точность изготовления детали, равную 6 = 0,4...0,8, учитывая степень влияния других компонентов технологической системы и давая запас на возможное изменение параметров станка в процессе эксплуатации.

Для прецизионных станков значение k принимается большим, так как в этом случае станок играет основную роль в обеспечении точности обработки.

Точность является основным показателем станка, однако для оценки его технического уровня и полной характеристики его качества необходимо применять показатели, определяющие весь диапазон требований, предъявляемых к станку потребителем.

На этом сложном оборудовании изготовляют всевозможные детали из металла, оргстекла, акрила или пластика, древесины. Их универсальность состоит в том, что они хорошо подходят для поперечного строгания, образования самых сложных поверхностей, в частности, криволинейных; выполняют выборки гребня, шпунта, фальцев, паза, шлицы и калевки.

Описание станка

Стандартная комплектация станка включает:

тяжелое и мощное основание;
рабочий стол;
, с одновременным присутствием шпиндель-вала;
набор нескольких инструментов для резки материалов;
передний дисковый тормоз.

В конструкцию станков сегодня включены многие важные устройства, обеспечивающие точность обработки и удобство для пользования. О них важно знать, чтобы выбор фрезерного станка с ЧПУ был осмысленным и правильным.

Не оставьте без внимания шпиндель!

Одно из важных качеств в работе электродвигателя вала шпинделя – способность плавно и равномерно его вращать. При комплектации подбирают подшипники высочайшего (класса точности, а цанга должна иметь повышенные допуски по биению и размеру.

Различают основные типы систем охлаждения шпинделей:

Жидкостная (в её основе – циркуляция воды или тосола в замкнутом контуре). Одно из преимуществ – надёжное теплоотведение. Среди недостатков – сложная конструкция, ведь охлаждающую жидкость надо разместить в резервуаре.
Воздушная (такое охлаждение состоит в нагнетании воздуха через щели-воздухозаборники в полости шпинделя). В числе плюсов системы – компактность и простота. Минус тоже есть – фильтры, особенно у техники, обрабатывающей массив дерева, надо часто менять, они загрязняются пылью.

При выборе шпинделя для станка ЧПУ, стоит обратить внимание на указанные в техническом паспорте его показатели (мощность и частота вращения при фрезеровании), зависящие от того, насколько твёрдые обрабатываются материалы. Например, у листовой фанеры требуемая мощность для обработки – 800 Вт; над массивом твёрдой древесины, лёгкими металлами – медью, латунью и алюминием, пластиком трудится более мощный станок – 1500 Вт; а камень обрабатывают при мощности 3000 – 4000 Вт.

Сейчас в оборудовании для фрезерных работ, в основном применяют импортные шпиндели:

Итальянский – высококачественные, работающие с большой скоростью, при плавном вращении и малом биении, преимущественно, с воздушным охлаждением и высокой ценой.
Китайский имеет сплошной корпус цилиндрической формы, который на торцах закрыт крышками, а для удерживания валов применяют подшипниковые узлы. Среди плюсов – конструкция имеет достаточный уровень жёсткости и минимальную вибрацию, нечувствительность к наличию стружки и пыли, доступность по цене. У моделей шпинделей китайского производства, к сожалению, большая вероятность брака, бывает трудно заменить подшипники. А у моделей, имеющих водяное охлаждение, наблюдается слабая антикоррозионная стойкость внутренних деталей.

Типы станков для фрезерования

Выбирая подобное оборудование, надо исходить из того, насколько оно соответствует предназначению. У россиян есть выбор:

высокоскоростные ЧПУ станки-автоматы, которые режут и выполняют раскрой металлов, обрабатывают детали из картона и древесины, справляются с двухслойным пластиком и акрилом, ПВХ, оргстеклом и гипсом, натуральным камнем – гранитом и мрамором;
модели (фрезерно-гравировальные), работающие с листами (предельный габарит 2000 х 4000 х 200 мм);
граверы (от 2D моделирования до 4D);
узкопрофильные автоматы, работающие с одним каким-то материалом – разновидностями камня, фанерой, древесиной, нержавеющей сталью или алюминием;
небольшие портативные модели с ЧПУ. Например, модель фрезерного станка с «Настольный 3D» служит для фрезерования печатных плат, МДФ и обрабатывает изделия предельно точно.

В линейке техники серии для профессионалов, можно отдать предпочтение вертикальным и горизонтальным обрабатывающим центрам с программным управлением; большим трех-, четырех- и пятикоординатным фрезерным ЧПУ граверам, которые производят на Тайвани.

Они считаются достаточно надежными и покупаемыми (после Германии и Японии – на третьей позиции). К тому же, их выгодно приобретать и частным лицам, и предприятиям, благодаря наличию в Москве и Туле сервисных центров, занимающихся поставкой оснастки, режущего инструмента, наладкой техники и обучением персонала.

ВНИМАНИЕ: Отличить станок с Тайваня несложно: у него цельнолитая станина (материал изготовления бразильский мелкозернистый чугун). К тому же автомат укомплектован американскими или японскими подшипниками, импортными шпинделями.

А если заказчик ищет высокоточный ювелирный станок, лучшая модель для этого – P 0403 от производителя Vector.

Мебельное оборудование

Деревообрабатывающее и мебельное производство, мастерские, изготавливающие окна, двери и фасады, не смогут функционировать без оборудования широкого функционала, – автоматов по дереву с чпу.

В последние годы стала модной мебель в стиле ретро – с изящными резными подлокотниками, ножками и другими деталями. При этом используется технология автоматизированной резки узора на фрезерном станке, на котором установлено числовое управление. Оно обеспечивает высокую точность и качество, когда выполняется сложная фрезерная обработка древесины и создаётся резной элемент.

При помощи такого оборудования, возможно наладить производство:

деревянных мебельных фасадов и декоративных консолей;
бaляcин, фигурных нoжек и прорезных элементов;
зaклaдных резных деталей;
символов, статуэток, фигурок и рамок различной формы для картин и зеркал.

Тот, кто ограничен в средствах, возможно, купит недорогой китайский стандартный гравировально-фрезерный станок с ЧПУ – СС-М1, специально для . При изготовлении фасадов, гравировке декора и барельефа – обычно много пыли. Поэтому, выбирайте ту комплектацию, где есть вакуум-аспирация для пылепоглощения. В данной модели она есть.

Какие фрезерные станки лучше? Однозначного ответа не даст никто. Но доверия всё же больше к программному рабочему оборудованию. Подход к выбору нужной техники у каждого мастера – свой.

И хорош тот фрезерный станок с ЧПУ, у которого выше точность, ниже энергопотребление, больше удобства в пользовании, надёжность в любой рабочей ситуации.

Можно сформулировать три совета правильного выбора:

Уточняйте заранее у менеджеров фирм все данные о модели; материалах, с которыми работает станок. Если есть видео – просмотрите. Это поможет определиться.
Проконсультируйтесь до покупки относительно функционала оборудования и круга выполняемых задач. А лучший вариант – записаться на демонстрацию работы чпу станка и не стесняться по ходу эксплуатации задавать вопросы.
Когда нужная модель выбрана, будьте внимательны в момент покупки: проверьте купленное оборудование на предмет комплектации узлов. Обязательно должен быть блок программного управления станком; шнуры, имеющие разъемы соответствующей конфигурации, и диски с ПО. Обычно ПО устанавливают специалисты фирмы, продающей станок, во время его наладки.

Заключение

В основном, мы попытались помочь человеку, стоящему перед выбором. Разобрались, как выбрать фрезерный станок (вещь дорогая, и будет работать у владельца не один год – с металлом или деревом). По крайней мере, сейчас выбирать есть из чего. Хочется надеяться, что читатели воспользуются этой информацией для покупки рабочего инструмента.