ШАБРЕННЯ:
Вплив технології виготовлення базових деталей верстатів на точність обробки
Серебреницкий П. П.
СТАНІНИ І НАПРЯМНІ.
Несучу систему верстата утворює сукупність його елементів, через які замикаються сили, що виникають між інструментом та заготівлею в процесі різання. До основних елементів несучої системи верстата відносяться станина та корпусні деталі (колони, поперечки, хоботи, повзуни, плити, столи, супорти тощо).
Станина служить для монтажу деталей та вузлів верстата, щодо неї орієнтуються та переміщаються рухомі деталі та вузли. Станіна, як і інші елементи несучої системи, повинна забезпечувати протягом терміну служби верстата можливість обробки заготовок із заданими режимами та точності. Це досягається правильним вибором конструкції, матеріалу станини і технології її виготовлення для забезпечення необхідної жорсткості, вібростійкості, зносостійкості напрямних і, природно, для заданої точності взаємного переміщення елементів верстата.
Більшість станин та інших базових елементів верстатів виготовляють із сірого чавуну методом лиття [в РФ марки сірого чавуну: СЧ 15, СЧ 20, СЧ 30 (ллється при t0 = 1500 – 2000 0С, складається з лусок графіту, які гасить).
Як правило, направляючі станин та інших елементів, що сполучаються з ними, маю плоску форму (але можуть і іншу) і взаємне переміщення одного елемента щодо іншого відбувається при взаємодії і контакті як мінімум двох площин.
Технологія обробки станин та інших елементів верстатів досить складна (особливо станин, що мають зазвичай великі довжини) і включає ряд операцій, які забезпечують не тільки задані форми і параметри точності, але і характеристики поверхневого шару, однією з важливих яких є отримана шорсткість. Забезпечення цієї характеристики покладається (це залежить від рівня виробництва верстатобудівного заводу) на завершальні операції обробки елементів, що розглядаються, такі як стругання, чистове фрезерування, плоске шліфування, притирання і (на особливо передових заводах) на операцію ШАБРЕНИЕ.
ШЕРХОВАНІСТЬ і ХВИЛЬНІСТЬ.
Шорсткість поверхні (в техніці РФ) визначають параметрами Ra, Rz і Rmax, з певною базовою довжиною. Так при можливій шорсткості Rz = 0.4 мкм (Ra = 0,080 мкм) базова довжина визначена стандартом в 0, 25 мм. (На цій довжині визначається величина шорсткості Rz як середня абсолютних значень п’яти найбільших виступів та п’яти найбільших западин).
При цьому середній крок Sm мікронерівності становить приблизно 0,040 – 0,060 мм (40 – 60 мкм).
Вважається, що відношення кроку мікронерівності (шорсткості) Sк її висоті Rz практично завжди менше 50, тобто S/Rz< 50.
Але при боротьбі верстатобудівників за зниження параметрів шорсткості чомусь часто забувають про ще існуючу мікронерівність поверхні, яка називається ХВИЛЬНІСТЬ.
Хвилястість – елементарне відхилення поверхні будь-якої форми з періодично чергуються піднесеннями і западинами з кроком, що перевищує довжину ділянки вимірювання шорсткості (і природно крок мікронерівностей) у кілька разів.
Рис 1.
Шорсткість і хвилястість поверхні:
Rz – висота мікронерівностей (шорсткість);
S – крок мікронерівностей;
Wi – висота хвилі;
Si – крок хвилі
Таким чином після мехобробки обробки, поверхня представлена сукупністю мікронерівностей з висотою Rz і хвилями з висотою Wi (див. Рис.1).
Якщо взяти середню лінію мікронерівностей, то можна поверхню уявити практично хвилеподібною з висотою хвилі Wi і кроком Swi (див. Рис 2).
Рис 2.
Хвилястість та її параметри:
– висота Wi,
– крок Swi,
– базова довжина lw
На відміну від шорсткості відношення кроку хвилястості Swi до її висоті Wi знаходиться в межах від 50 до 1000 і більше, тобто Swi/Wi 50 … 1000. Хвилястість визначають і по середньоарифметичній висоті Wz, визначеної на довжині ділянки lw за п’ятьма найбільшими кроками хвилястості. До речі, щодо кроку нерівності до її висоті і відокремлюють явище шорсткість від хвилястості.
ХВИЛЬНІСТЬ І ТЕХНОЛОГІЯ.
Хвилястість практично супроводжує всім операціям механічної обробки. Так, на практиці виходять такі середні дані:
- швидкісне фрезерування – висота хвилі 1,4 … 6,0 мкм; крок хвилі – 1,5 … 5,2 мм;
- плоске шліфування – висота хвилі 1,1 … 3,9 мкм; крок хвилі – 1,1 … 4,8 мм;
- притирання – Висота хвилі 0,75 … 2,0 мкм; крок хвилі – 0,9 … 4,0 мм.
- стругання – Висота хвилі 1,0 … 3,5 мкм; крок хвилі – 1,3…4,0 мм;
Освіта хвилястості під час обробки залежить від низки чинників. Вказується, що найчастіше хвилястість має синусоїдальний характер, що є наслідком коливань у системі верстат-пристрій-інструмент-деталь, що виникають через нерівномірність сил різання, наявності неврівноважених мас, похибок приводу, вібростійкості верстата, контактної жорсткості між базовою напрямною і , помилок у системах управління, теплових деформацій тощо.
Природно, на утворення хвилястості суттєво впливає загальна зношеність устаткування, що використовується для обробки.
ХВИЛЬНІСТЬ і ТОЧНІСТЬ роботи верстата з ЧПУ
Система керування та верстат з ЧПУ насамперед визначають точне розмірне переміщення інструменту щодо оброблюваної заготовки, забезпечуючи виготовлення деталі із заданою точністю. З багатьох чинників, що впливають точність роботи верстата, розглянемо лише одне – як впливає хвилястість базових поверхонь на точність роботи верстата.
Припустимо, що базова напрямна верстата і площина елемента, що переміщається, наприклад, каретки, мають певну хвилястість і стикуються площинним контактом . Є маса доказів, що такий контакт різко знижує вібростійкість верстата, але розглянемо питання геометрії переміщення робочого органу, до речі, які грають не останню роль точності роботи верстата.
Рис 3.
Можливе зсув елементів верстата, що сполучаються, через надмірну хвилястість.
Припустимо, що на чавунну станину, на посадкові площини з надмірною хвилястістю встановлюється, наприклад, колона або кройштейн, на посадкових поверхнях яких також надмірна хвилястість. При установці несучі базові елементи займуть свої місця. Однак, після складання, під навантаженням, через якийсь час гребені хвиль однієї поверхні зміщуватимуться так, щоб повністю або частково потрапити в провали хвиль сполученої поверхні. В результаті вийде зсув або перекіс у положенні одного елемента щодо іншого. Невеликий зрушення, на половину кроку хвиль паралельно пов’язаних площин, тобто. максимально на 1 – 2 мм. Якщо поверхні не ШАБРИЛИ, а ШЛІФОВАЛИ. Реально такі усунення ще менше, але відбуваються вони як за висотою (до 3,9 мкм!), Так і в різних напрямках паралельно сполученим площинам. Безумовно, виникає напруга по всіх площинах, що контактують. Зібрані несучі конструкції згодом перекошує. Небагато: лише на сотні або навіть мікрони. Але для електроерозійних верстатів, на яких ці мікрони ловлять, такі зсуви часто виливаються в неприпустиму втрату точності.
Але проблема стає серйознішою, коли на шліфовану чавунну площину з надмірною хвилястістю ставиться лінійна напрямна, якою після складання їздять каретки столу або колони. Під навантаженням, через роки, направляюча зміститься, причому на різних ділянках по довжині по-різному: десь просяде на висоту хвилі, десь зрушить убік на половину довжини хвилі на чавуні, десь – в інший бік. В результаті, демонструючий достатню точність після запуску верстат, швидко цю точність втратить! Сумно, але це вже не гарантійний випадок! Продавець завжди може послатися на неприпустимі умови експлуатації та надумати безліч інших “поважних” причин. І це неминучим трапляється, якщо посадкові площини на чавунній станині не ШАБРИЛИ, а ШЛІФОВАЛИ!
Зауважимо: усунення несучих базових елементів, трапляються не відразу, під навантаженням, згодом, можливо за кілька років. Але тим, хто дорогий верстат експлуатує, і вже включив верстат у технологічний ланцюжок свого виробництва, від відстрочки може стати навіть проблемнішим!
Операція дорога, бо ручна та дуже тривала. І серйозні верстатобудівники йдуть на використання цієї операції, на великі витрати, тому що вона єдина, яка певною мірою УСУНАЄ ХВИЛЬНІСТЬ базових напрямних площин. ШАБРІННЯ – обов’язковий технологічний процес після фрезерування. Тільки шабренням забираються хвилі на поверхнях, як побічний результат фрезерування чи іншої операції.
Шабрування дозволяє забезпечити точність (відхилення від площинності) напрямних у межах 2 мкм на 1000 мм довжини.
Шабрування проводиться зазвичай за еталонною поверхнею шабровочної лінійки або плити. Для визначення виступаючих точок контакту оброблюваної поверхні напрямних з еталонної на поверхню, що обробляється, наносять тонкий шар фарби (еталонну покривають фарбою і проводять по оброблюваної поверхні).
Глибина різання при попередньому шабренні може досягати 0,04 мм (40 мкм), при остаточному – менше 5…8 мкм. При остаточному шабренні необхідно забезпечити необхідну кількість точок контакту на площі квадрата розміром 25×25 мм. Чим більше точок контакту, тим вища точність.
Рис 4.
Ручне шабріння на одному із заводу Sodick
Необхідне число точок контакту задається вимогами точності до оброблюваної поверхні. Для верстатів нормальної точності на напрямних потрібно зазвичай забезпечити до 20 точок у квадраті 25 x 25 мм, для верстатів вищих класів точності (П, В, А) – 25 … 30 точок.
Добре обробляється шабрінням сірий чавун твердістю до НВ 220. Сталеві напрямні та чавунні твердістю НВ > 220 шабряться незадовільно. Висота мікронерівностей обробленої поверхні при ручному ШАБРЕНІІ— до 1…3 мкм. ХВИЛЬНІСТЬ при цьому практично розмивається.
Витрати часу на шабріння залежить від площі оброблюваної поверхні, довжини, форми, похибок попередньої обробки, марки і твердості оброблюваного матеріалу.
Так, при чистовому шабренні плоских чавунних напрямних шириною 150 мм потрібно 4 години на кожен метр довжини, при доводочному шабренні витрачається в 7…8 разів більше часу для досягнення 30 точок контакту на поверхні 25×25 мм.
У недалекому минулому шабріння було практично обов’язковим технологічним процесом на всіх верстатобудівних заводах у всьому світі. Скрізь, де як несучі конструкції використовується литі чавунні деталі.
Проте, ШАБРЕННЯ – ПРОЦЕС ДОРОГОЮ!
Тому низка верстатобудівних виробництв відмовилася від шабріння. Щоб скоротити виробничі витрати, збільшити прибуток шабрування замінили шліфуванням. Ну що ж, кожному своє. І виробнику верстатів – і користувачеві.
На жаль, операції шліфування мають низку суттєвих недоліків, але це вже інша тема.
ШЛІФУВАННЯ чавуну ЗАЛИШАЄ на базових площинах не тільки ХВИЛЬНІСТЬ, але й внутрішні напруги під ¦поверхнею, а також мікротріщини, припалювання. Крім того, поверхня чавуну насичується (“шаржується”) абразивним мікропилом, що незабаром викликає корозію.
- Энциклопедия по машиностроению XXL (https://mash-xxl.info/info/506065/)
- Серебреницкий П. П. Краткий справочник технолога – машиностроителя, СПб, изд. “Политехника”, 2007, 952 с.
- Станины и направляющие – Металлорежущие станки (www.tops100.ru/metall/staniny-i-napravlyayushhie/)
- Влияние вибраций на волнистость обрабатываемой поверхности при фрезеровании (sbornik.college.ks.ua/downloads/sbornik3_8/pdf/301.pdf)
- Гузеев, В.И. Прогнозирование точности и качества при проектировании технологических процессов механической обработки [Электронный ресурс]: электронное учебное пособие / В.И. Гузеев, Г.И. Буторин, В.Ю. Шамин. – Электрон. текст. дан. (1,94 Мб). – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2013.
- Серебреницкий П. П. Современные электроэрозионные технологии и оборудование, СПб, изд. ЛАНЬ, 2013, 350 с.
- Учебное пособие по ТСС, Гомельский ГТУ им. П.О.Сухого (https://studfiles.net/preview/3106577/)–