§ 5. ИСТОЧНИКИ ПОГРЕШНОСТЕЙ В ПРОЦЕССАХ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ, ОБРАБОТКИ И СБОРКИ И СПОСОБЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЗАДАННОЙ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
Точность технологического процесса, обусловливающая близость действительных и номинальных значений параметров производимой продукции, зависит от большого числа технологических факторов, вызывающих первичные погрешности. Основными источниками таких погрешностей в общем случае могут быть: геометрическая неточность и погрешности наладки оборудования и оснастки; погрешности базирования и закрепления предмета производства; недостаточная жесткость звеньев технологической системы оборудование — оснастка — предмет производства; нарушения технологических режимов; износ оснастки и оборудования; погрешности в определении изменения состояния предмета производства; тепловые деформации технологической системы; остаточные напряжения в конструкционном материале.
Геометрические погрешности исполнительных органов металлорежущих станков могут вызвать у обрабатываемой детали самые различные отклонения от правильной формы и заданного взаимного расположения обрабатываемых поверхностей. Например, непараллельность в горизонтальной плоскости оси вращения шпинделя токарного станка направляющим станины, по которым перемещается суппорт, может привести к конусности цилиндрических поверхностей обрабатываемых в патроне заготовок. Неперпендикулярность оси шпинделя сверлильного станка плоскости его стола вызовет соответствующее отклонение у обрабатываемой детали. Аналогичное влияние на точность предмета производства оказывают геометрические погрешности установочных деталей и устройств станочных, сборочных и сборочно-сварочных приспособлений. Геометрические погрешности наладки технологической системы определяются точностью применяемого измерительного инструмента и эталонов, а также квалификацией наладчика. При обработке резанием следует принимать во внимание также точность изготовления «мерного» и фасонного режущего инструмента, размер и профиль которого копируется обрабатываемой заготовкой (сверла, зенкеры, развертки, протяжки, резьбонарезной инструмент, фасонные фрезы и т. п.). Определяющую роль в ряде случаев может сыграть отклонение заготовки или изделия от требуемого положения относительно выбранной системы координат, т. е. погрешность базирования (примеры расчета этой погрешности для станочных работ и сборки конструкций под сварку рассмотрены в § 6). При закреплении предмета производства возможна дополнительная погрешность, вызываемая его деформацией под действием приложенных сил.
Важное влияние на качество продукции на всех этапах ее изготовления оказывает жесткость технологической системы оборудование — оснастка — предмет производства. Так, увеличивая жесткость кривошипных прессов и горизонтально-ковочных машин, можно значительно повысить точность горячештампованных заготовок в направлении хода ползуна. Уменьшением жесткости литейных форм, и особенно стержневых систем, достигается снижение уровня остаточных напряжений и вызываемых ими короблений отливок. Для литья в кокиль в ряде случаев уменьшение остаточных напряжений и предупреждение брака по трещинам обеспечивается повышением податливости отдельных элементов литой заготовки и т. д. При обработке на металлорежущем оборудовании недостаточная жесткость узлов станка, оснастки и обрабатываемой заготовки, вызывая упругие деформации технологической системы под действием сил резания, может стать решающим фактором, снижающим точность обработки. Большое значение вопросы жесткости имеют также при сборке машин и особенно при выборе и конструировании средств технического контроля.
Точность изготовления изделия в значительной мере обусловливается износом узлов исполнительных органов технологического оборудования, установочных, направляющих и делительных устройств приспособлений, а также размерным (в направлении нормали к обрабатываемой поверхности) износом режущего инструмента. Размерный износ зависит от метода обработки, геометрических параметров и материала режущей части инструмента, режимов резания и материала обрабатываемой заготовки.
Вопросы точности нельзя решать без учета тепловых деформаций технологических систем, а также остаточных напряжений в конструкционном материале, возникающих в результате неравномерного нагрева или охлаждения, фазовых или структурных превращений металла, пластического деформирования и т. п. Тепловые деформации в ряде случаев могут быть довольно значительными, например, в процессах термической или химико-термической обработки, при образовании неразъемных соединений деталей с помощью сварки. В общей погрешности изготовления точных деталей заметную роль могут сыграть тепловые деформации, обусловленные теплотой, выделяющейся в зоне резания, а также в движущихся узлах станка. Технологические остаточные напряжения в конструкционном материале при нарушении их равновесия в результате какого-либо технологического воздействия вызывают деформирование предмета производства. Влияние таких напряжений на надежность локомотивных конструкций рассмотрено во втором разделе учебника.
При решении вопросов точности изготовления изделий особое внимание уделяется точности методов и средств контроля качества производимой продукции и технологических процессов. Важное значение для повышения качества машин имеет оптимизация технологических режимов в процессах формообразования, обработки и сборки (см. § 7).
Погрешности, возникающие на различных этапах технологического процесса изготовления изделия, по характеру проявления разделяют на систематические (постоянные и переменные) и случайные. Примером постоянной систематической погрешности, сохраняющей при неизменных условиях модуль и знак, могут, в частности, служить погрешности формы и взаимного расположения обрабатываемых поверхностей, вызываемые геометрическими неточностями станка. Переменная систематическая погрешность закономерно изменяется по модулю и (или) знаку (например, погрешность, обусловленная размерным износом режущего инструмента). Случайная погрешность случайным образом принимает при неизменных условиях производства различные модуль и (или) знак (погрешности базирования, закрепления и т. д.).
Суммарная (общая) погрешность, или поле рассеяния выполняемого размера, применительно к конкретной технологической операции является, как мы видели, следствием влияния большого числа самых разнообразных систематических и случайных факторов, каждый из которых вызывает возникновение отдельной первичной погрешности. Исследования и расчеты точности технологических процессов могут быть поэтому выполнены с использованием различных методов: расчетно-аналитического, вероятностно-статистического или расчетно-статистического. Стабильное и экономичное обеспечение на этой основе заданной конструктором точности — сложная и ответственная задача специалистов-технологов при проектировании, внедрении и исследовании действующих технологических процессов. Имея целью выявление резервов повышения качества выпускаемых изделий, эта работа играет важную роль в оптимизации технологических разработок. Возможные пути решения поставленной задачи подробно освещены в специальной технологической литературе, в частности, в учебниках [7, 16].
Заданная точность в производственных условиях может быть обеспечена технологически либо способом автоматического выполнения данного размера (или размеров) для всей партии (или нескольких партий) без вмешательства извне в течение некоторого интервала времени (например, при литье, штамповке и т. п.), либо индивидуально для каждого предмета производства путем соответствующего вмешательства с целью корректирования погрешности выполняемого размера (при свободной ковке, правке, разметке и т. п.). При индивидуальном обеспечении заданной точности последняя зависит от квалификации рабочего — исполнителя конкретной операции, а при автоматическом — от квалификации наладчика и точности соответствующей оснастки (штампов, литейных форм, мерного и фасонного режущего инструмента и т. п.).
При станочных работах заданная точность в единичном производстве обеспечивается способом индивидуального получения размеров, т. е. выверкой положения заготовки на станке и последующей ее обработкой с помощью пробных рабочих ходов (снятия пробных стружек), сопровождаемых соответствующими измерениями выполняемого размера. Для серийного и массового производств характерен способ автоматического выполнения размеров. В этом случае заготовка устанавливается в приспособление без выверки, а обработка ведется в один рабочий ход предварительно (при наладке технологической системы) установленным на размер режущим инструментом, положение которого в направлении выдерживаемого размера не изменяется для партии заготовок, обработанных до подналадки или замены инструмента по мере его износа.
В условиях мелко- и среднесерийного производств при использовании приспособлений заданную точность обработки в ряде случаев обеспечивают за один рабочий ход установкой режущего инструмента по лимбу. В единичном и мелкосерийном производствах используется также предварительная разметка обрабатываемых поверхностей заготовки. В автоматизированных процессах требуемую точность получают с помощью автоподналадчиков, устройств активного («на ходу» станка) технического контроля, а также самонастраивающихся (адаптивных) систем управления станками1.
При слесарно-сборочных работах заданная точность выполняемого размера — замыкающего звена той или иной размерной цепи — обеспечивается либо автоматически (методом полной, неполной или групповой взаимозаменяемости), либо индивидуально (методом пригонки или регулирования). Методы достижения точности замыкающего звена изучаются в курсе «Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения». Определения соответствующих терминов приведены в ГОСТ 16319—80.
В случае сборки под сварку заданная точность размеров сварной конструкции обеспечивается автоматически, методом полкой (или, в отдельных случаях, неполной) взаимозаменяемости, при использовании сборочно-сварочных приспособлений, когда детали сварного узла получают требуемую ориентировку путем соприкосновения с соответствующими установочными элементами приспособления без выверки, пригонки и регулирования.