Повышение эффективности обработки точных маложестких деталей на токарном станке за счет управления взаимодействием люнета с заготовкой

Одной из основных задач, стоящих перед машиностроением в настоящее время, является снижение трудоемкости изготовления деталей. Эффективное направление решения этой задачи в производстве — применение новых конструкций устройств, позволяющих исключить некоторые предварительные операции предшествующие формообразующим, а кроме этого повышающих точность и качество обработки деталей.

Например, применение управляемого люнета при обработке точных нежестких деталей позволяет избавиться от сортировки заготовок по диаметральным размерам. А обеспечение постоянного зазора между деталью и внутренней поверхностью люнета позволяет существенно повысить качество обработки.

Широко известны модели токарных автоматов предназначенных для изготовления деталей из пруткового материала [55, 56, 88]. Для расширения технологических возможностей этих станков и использовании при обработке также и мерных штучных заготовок возникают сложности, связанные с получением высокоточных деталей. Применение стационарных конструкций люнетов, когда происходит поднастройка люнета на нужную величину зазора между заготовкой и внутренней поверхностью люнета не рационально, так как значительно возрастает трудоемкость, связанная с необходимостью предварительной сортировки по группам заготовок исходя из значений их диаметрального размера.

Кроме того, в настоящее время конструкции токарных станков, как российских ЛА так и зарубежных STAR MICRONIKS CO., LTDOKUMA A GENTRY OF MANUFACTURING SOLUTIONSIGUS GmbHMIYANO MASHIN-ERYGILDEMEISTER AKTIENGESELLSHAFT и т. д. [20, 57 — 73] предусмотрена возможность осуществления вторых операций, таких как сверление радиальных отверстийфрезерование у детали пазов, лысок, и т. д. В результате чего после основной токарной обработки деталь необходимо надежно и точно закрепить, а после второй операции освободить для продолжения цикла обработки партии деталей.

Исходя из перечисленных проблем к конструкции люнета предъявляются следующие требования:

— максимально возможная раскрываемость люнета на наибольшую величину позволяющую производить подачу заготовок в зону обработки;

— обеспечение при обработке деталей между заготовкой и внутренней поверхностью люнета постоянного оптимального зазора вне зависимости от того, с каким диаметральным размером поступает заготовка в зону обработки;

— возможность надежного закрепления детали для осуществления обработок на вторых операциях фрезерной, сверлильной и т. п.

— управляемость люнета, люнет должен выполнять любую из выше перечисленных функций в любой момент времени.

Таким образом, в настоящее время взамен стационарного люнета существует необходимость в создании управляемого имеющего все перечисленные функциональные возможности.

Имеется довольно много устройств направленных на решение данной проблемы и в настоящее время есть несколько конструкций люнетов позволяющих решить проблему постоянного зазора в люнетной цанге, но они как правило дорогостоящи, сложны в изготовлении и управлении, ненадежны, имеют малый диапазон регулирования по диаметральному размеру. Вместе с тем не раскрыт механизм влияния величины зазора в люнетной цанге на точность исходя из линейных и диаметральных размеров и материала заготовки, а так же режимов обработки.

В зависимости от взаимодействия заготовки с люнетом все устройства направленные на получение стабильного зазора в люнетной цанге можно разбить на следующие:

— непосредственное взаимодействие люнета с заготовкой во время обработки;

— гидролюнеты и люнеты управляемые логическими элементами;

— люнеты с механическим управлением.

В настоящее время на предприятии «НИТИ-ТЕСАР» осуществляющего производство токарных автоматов продольного точения АПТ, при разработке новой модели станка АПТ-904М, который должен осуществлять обработку штоков автомобильных амортизаторов, возникла необходимость в создании и наиболее оптимальной эксплуатации управляемого люнета. В одной из следующих разработок токарного автомата АПТ-906 предполагается использование вторых операций.

Для достижения оптимального зазора в люнетной цанге необходимо рассматривать процесс изготовления деталей в целом. Так как обеспечение зазора зависит от большого числа факторов: требуемой точности готовой детали, режимов резания, материала, исходной точности и формы заготовки, и т. д. Кроме того, следует учитывать действие случайных факторов, поскольку, принимая максимальные значения факторов, а не их средне квадратические отклонения, при теоретических расчетах получается завышенная величина зазора между заготовкой и внутренней поверхностью люнета, что приводит к более худшему качеству обработки по сравнению с возможным. Поэтому построение методики расчета рационального зазора в люнетной цанге с учетом действия всех включая так же и стохастические факторы является актуальной задачей.

Вопросы расчета оптимальной величины зазора в люнетной цанге до настоящего времени проработаны только в самом общем виде, не отражая влияния значений различных переменных участвующих в обработке.

Такое положение объясняется тем, что до сих пор не было надежных устройств для обеспечения постоянного одинакового для всех деталей взаимодействия с люнетной цангой.

Положения выносимые на защиту:

— исследование механизма влияния зазора в люнетной цанге на точность изготовления деталей с помощью теоретико-вероятностной теории- 7.

— создание управляемого люнета обеспечивающего вне зависимости от диаметра приходящей заготовки одинаковый постоянный зазор между заготовкой и внутренней поверхностью люнетной цанги;

— экспериментальные исследования, связанные с применением одинакового для всех деталей зазора в люнетной цанге;

— алгоритм вычисления оптимального значения зазора между заготовкой и внутренней поверхностью люнета;

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Диссертация изложена на 148 странице машинописного текста, содержит 31 рисунок и 19 таблиц.

Выводы.

1. Выбраны контролируемые параметры технологического процесса при механической обработке деталей на токарном станке, наиболее сильно влияющие на точность изготовления деталей: глубина резания и величина зазора в люнетной цанге.

2. Получены математические модели описывающие влияние на допуск деталей следующих исследуемых факторов: а — глубины резания, S — подачи режущего инструмента, V — скорости резания, а также d — диаметра детали, 1 -длины детали, h — величины зазора между заготовкой и внутренней поверхностью люнета, Е — модуля упругости.

3. На основе исследований установлено влияние технологических факторов на точность обработки. С возрастанием любого из факторов a, S, aSV точность снижается. Показано, что при возрастанием 1 и h отклонение размера возрастает, а для d с его увеличением отклонение уменьшается. Вместе с тем выше точность изготовления при обработке латуни по сравнению со сталью.

4. Определены оптимальные значения подачи — S = 0,115 мм/об и глубины резания — а = 0,65 мм, позволяющие в дальнейшем провести более качественно статистические эксперименты.

5. Показано, что использование подвижного люнета по сравнению со стационарным позволяет: а) Получать детали с точностью до 5 мкм по диаметральным размерам и Ra 0,65 — 1,15 мкм обработанной поверхности. При обработке с неподвижным люнетом разброс размеров составляет до 8 мкм, а шероховатость поверхности — Ra 0,65 — 1,25 мкм. б) Технологический процесс обработки с использованием подвижного люнета во времени более устойчив. в) Отклонение номинального диаметрального размера детали от настраиваемого и значение шероховатости для подвижного и неподвижного люнетов подчиняются нормальному закону распределения.

Глава 5. Практические рекомендации и технико-экономическая эффективность использования результатов исследования 5.1. Разработка рациональной конструкции люнета.

Используя методику определения оптимальной величины зазора в люнетной цанге, предложенную во второй главе, рассчитаем теоретическую точность изготовления деталей при использовании конструкций люнета: стационарной и подвижной.

Диаметр детали: 5,1 мм;

Допуск на деталь: Td — 10 мкм;

Длина детали: 1−50 мм;

Диаметр заготовки: D3ar- 10 мм;

Допуск на заготовку: Tz — 15мкм;

1. Упругая деформация заготовки ровна as (l + 60)3 е = k.

E (Dz/2).

4 ' где k= 5- а = 2,45 ммs = 0.115 мм;

0,llf 105 (Ю/2) 0,65×0,115х (60 + 50)3 1П3 е = 5−1——j-— = 8,12×10 мм.

2. Проверка возможности обработки при заданной точности. Среднее квадратическое отклонение средних размеров, вызванных погрешностями пространственных отклонений заготовки.

2cjp =7tz' о.

2о=-0,005 мм. р 6.

Среднее квадратическое отклонение средних размеров, вызванных погрешностями базирования заготовки cF = — 0,002 мм. 1 6.

Среднее квадратическое отклонение смещения оси заготовки.

V0,0052 +0,0022 1 С<1 а, = —-= -0,0054 мм.

6 6.

Среднее квадратическое отклонение профиля возможных значений диаметра люнетной цанги о =-0,002 мм. 11 6.

Среднее квадратическое отклонение настроечного размера для данной конструкции станка равно.

On = — 0,002 мм. настр ^.

Проверка условия возможности обработки.

Для стационарного люнета: > Jo^ + о2 r + о2 + о] + о2.

— 0,01 > -V0,0022 +0,0052 + 0,0022 + 0,542 + 0,0022 6 6 теоретически достижимая точность обработки в данных условиях Td = 0,735 мм.

Для подвижного люнета: oDm > + о2 наяр + о2 + о — о02ц,.

— 0,01 > -^0,0052 +0,0022 +0,0022 +0,252, 6 6 теоретически достижимая точность обработки в данных условиях Td = 0,0055 мм.

3. Расчет величины зазора в люнетной цанге. Рабочий диаметр люнетной цанги.

0ц=0дет+0заг-°"астр-5з-е> где DHacxp — настроечный размерб3 — величина смещения оси заготовки.

Du = 10 — 9,89 + 9,9 + 0,002 + 0,008 = 10,02 мм .

Величина зазора h = D^D^=10.02−10= м.

2 2.

По результатам теоретических исследований была усовершенствована конструкция управляемого люнета, используемого на станке АПТ — 904 и предназначенного для обеспечения требуемого зазора между заготовкой и внутренней поверхностью люнета. А так же разработана принципиально новая конструкция управляемого люнета направленная на повышение надежности и стабильности при создании рабочего зазора в люнетной цанге.

Усовершенствованный люнет к станку АПТ-904М, рис. 5.1, содержит корпус 1, люнетную цангу 2, которая базируется в корпусе 1 на шпонку 3, гайку 4, которая контрится контргайкой 5, пружины сжатия 6, причем пружины 6 взаимодействуют с гайкой 4 и корпусом 1 на котором установлен кронштейн 7 с шарнирно соединенным нажимным рычагом 8. Рычаг 8 упорами 9 взаимодействует с гайкой 4, а вторым концом взаимодействует с механизмом управления 9. Механизм управления люнетом 9 содержит плиту 10, на которой установлена опора 11, в отверстии которой выполнен пневмоцилиндр настройки рабочего зазора 12 в котором перемещается поршень 13, выполненный совместно со штоком 14 через осевое отверстие 15 которого подается давление вместно со штоком 14 через осевое отверстие 15 которого подается давление в пневмоцилиндр открывания люнетной цанги 16, выполненный в полости поршня 13. На штоке 14 устанавливается втулка 17 гайка 18 для регулировки хода поршня 13. В пневмоцилиндре открывания люнетной цанги 16 перемещается поршень 19, соединенный со штоком 20.

Рис. 5.1. Конструкция управляемого люнета к АПТ-904М.

Поршень 19 поджимается в исходном состоянии к основанию пневмоци-линдра открывания люнетной цанги 16 пружиной сжатия 21, взаимодействующей с крышкой 22 пневмоцилиндра открывания люнетной цанги, а пружина сжатия 23 взаимодействует с опорой 24, установленной на плите 10 и поршнем 13. На штоке 20 скользит корпус 25 пневмоцилиндра фиксации нулевого зазора 26 со штоком 27. Пневмоцилиндр фиксации нулевого зазора 26 корпусом 25, пружиной сжатия 28, взаимодействующей с опорой 24, всегда прижат к упорам 29 рычага 8. На штоке 20 выполнен упор 30, который воздействует на рычаг 8 при открывании люнетной цанги 2, а на конце штока 20 закреплена планка 31, скользящая в пазу, выполненном в плите 10, удерживающая шток 20 от разворачивания.

Новая конструкция управляемого люнета, а также ряда других новшеств позволили подать комплексную заявку на токарный автомат продольного точения.

Изобретение относится к области станкостроения, в частности к автоматическим токарным станкам и может быть использовано для выполнения с высокой точностью операции продольно — фасонного точения, обработки центральных отверстий, нарезания резьбы и др. в цилиндрических длинномерных изделиях. Технический эффект изобретения — расширение технологических возможностей при одновременном улучшении условий эксплуатации.

При загрузке, заготовка проходит из приемного устройства через фланец тттгттхтт ttdttt тх ттт/-чтт/зт^ tt/- д^ттгчгчп ТТттгг г~чг" ггчт^/'л ттаттоатла ттот> ттотттхо «о ттиаол /г/*ТТТ/Г ТТТЛ’ХХ тттл 1? l-LLlinn^U, VJ1D XL JiXVОV^ 1 JllKJ^JCI. ^JJL/1 JlUlU llU^ftVlW/I ДО. ОJIW11L> llllWJJlVi. V/JL^iaJAirAll/j,^ IV/ и поршень 19 со штоком 20 занимает крайнее правое положение, нажимая упором 30 на рычаг 8, который упорами 9 нажимает на гайку 4 люнетной цанги 2, перемещая ее вправо, выталкивая из корпуса 1, в результате чего люнетная цанга 2 открывается. Давление в пневмоцилиндрах 12 и 26 отсутствует, в результате чего, поршень 13, под воздействием пружины 23, занимает крайнее левое положение, а пневмоцилиндр 26 свободно скользит по штоку 20, прижимаясь корпусом 25 к упорам 29, отслеживая положение рычага 8. При этом в начале подачи заготовки подается сжатый воздух к фланцу 5 и через сопло 48 подается на заготовку 10, удаляя грязь, которая попадает в ловушки 44 и удаляются через дренажные отверстия 45. При этом заготовки с наружным диаметром равным или превышающим максимальный диаметр люнетной цанги 2. через отверстие 51 фланца 5 не проходят в шпиндель 7 и извлекаются из приемного устройства 4. По окончании загрузки, убирается давление из пневмоци-линдра 16 и поршень 19, под воздействием пружины 21, занимает крайнее левое положение, освобождая рычаг 8. Пружины 6, нажимая на гайку 4, затягивают люнетную цангу 2 в корпус 1 и обжимают ее на заготовке 7 и, воздействуя на рычаг 8 через упоры 9, отводят рычаг 8. В зависимости от диаметра заготовки величина затягивания люнетной цанги 2 в корпус 1 изменяется и соответственно положение рычага 8 меняется. После чего подается давление в пневмо-цилиндр 26, фиксируя корпус 25 на штоке 20. Затем чего подается давление в пневмоцилиндр 12, перемещая поршень 13 вправо на величину установленную гайкой 18. Поршень 13 перемещается совместно с поршнем 19, штоком 20 с зафиксированным на нем пневмоцилиндром 26 и рычагом 8. Рычаг 8 воздействуя упорами 9 на гайку 4 выталкивает люнетную цангу 2. Люнетная цанга, выходя каждый раз на одну и ту же величину от нулевого зазора из корпуса 1, обеспечивает одинаковый рабочий зазор к любому размеру диаметра заготовки.

В новой модели токарного автомата продольного точения АПТ — 906 предполагается использование новой конструкции управляемого люнета позволяющего примеханической обработке нежестких деталей обеспечивать более стабильную и точную настройку люнета на рабочий зазор для достижения этих целей люнет содержит запорную втулку, гайку и нажимную втулку которые контактируют между собой и имеют возможность осевого перемещения внутри корпуса и крышки люнета. При перемещении, втулка через шарики фиксирует диаметр заготовки, и передвигает нажимную втулку, сводящую лепестки люнетной цанги. Чем меньше диаметр заготовки, тем на большую величину сможет переместиться нажимная втулка, оставляя зазор между заготовкой и люнетной цангой постоянным. Настройка люнетного зазора осуществляется с помощью гайки, расположенной между соединенной с ней через резьбовое соединение нажимной втулкой, и запорной втулкой. Чтобы производить обработку без воздействия шариков на заготовку гайка и связанная с ней нажимная втулка запирается зажимным устройством, а запорная втулка за счет действия возвратной пружины перестает воздействовать на шарики и заготовку.

На рисунке 5.2 изображен общий вид люнета в разрезе.

6 1 2 8 3.

Рис. 5.2. Конструкция управляемого люнета к АПТ — 906.

В корпусе люнета 10 находится запорная втулка 1, которая при подаче давления в полость, А перемещается в осевом направлении воздействуя на гайку 2 и нажимную втулку 3, до тех пор пока позволяют шарики 4 расположенные радиально в цанге 5. После подачи давления в полость Б гайка 2 жестко зажимается. Пружины 6 и 7 служат для возврата подвижных элементов в исходное положение. С помощью контргайки 8 фиксируется положение гайки 2 относительно нажимной втулки 3, от проворота гайку 2 удерживает шпонка 9 закрепленная в корпусе 10. Нажимная втулка Зперемещается внутри крышки 11 в которой выполнено окно для настройки люнета. Крышка 11 закреплена на корпусе 10.

Механизм работает следующим образом.

После загрузки заготовки в люнет, подается давление в полость А, в результате чего, запорная втулка 1 воздействуя конической поверхностью на шарики 6 в зависимости от диаметра заготовки перемещается на определенную величину. Своим торцем втулка 1 передвигает гайку 2 и нажимную втулку 3, связанные между собой через резьбовое соединение. Нажимная втулка 3 при перемещении внутри крышки 11 воздействует своей рабочей поверхностью на лепестки цанги 5 заставляя их сходиться. Вращением нажимной втулки 3 относительно гайки 2 осуществляется настройка радиального зазора между заготовкой и лепестками цанги 5 для всей партии деталей, после чего нажимная втулка 3 фиксируется контргайкой 8. В крышке 11 закрепленной на корпусе 10 выполнено окно для удобства настройки зазора. От поворота гайка 2 удерживается за счет шпонки 9 закрепленной в корпусе 10. Затем подается давление в полость Б зажимного приспособления в результате чего фиксируется положение гайки 2 и нажимной втулки 3. Давление из полости, А убирается и запорная втулка 1 под действием возвоатной поужины 6 освобождает от зажима шаоики 4 и заготов 1 1 1 к1 ' ' а ку. Производится обработка заготовки с настроенным люнетным зазором. После окончания обработки детали давление из полости Б убирается и гайка 2 с нажимной втулкой 3 за счет действия возвратной пружины 7 занимают исходное положение.

В связи с минимальным количеством рабочих деталей рассматриваемый люнет имеет малые кинематические погрешности при создании радиального зазора между заготовкой и люнетной цангой.

На рис. 4.1. представлен автомат продольного точения АПТ — 904 М предназначенный для токарной обработки поршневой шейки штоков амортизаторов автомобилей взамен существующих круглошлифовальных автоматов. Станок охватывает широкую номенклатуру штоков амортизаторов, его производительность — 300 штоков в час, переналадка на другой типоразмер — за 1 час.

Рис. 4.1. Токарный автомат продольного точения мод. АПТ — 904 М Преимущества:

— Достигается экономия электроэнергии в 2 раза.

— Сокращаются производственные площади в 2,5 раза.

— Снижаются расходы на обслуживание.

— Стойкость резца — 180 мин.

— Повышается точность обработки при снижении требований к заготовке по допуску на базовый диаметр и кривизне.

Заключение

.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили решить поставленные в работе задачи повышение точности и эффективности процесса токарной обработки на основе исследования механизма влияния на них величины зазора в люнете, и совершенствования конструкции люнета.

В ходе работы:

1. Раскрыт и аналитически описан механизм влияния случайных факторов на величину зазора в люнетной цанге при обработке деталей.

2. Уточнено влияние на величину зазора комплекса факторов, таких как погрешности профиля и размеров заготовки, погрешности установкитехнологических факторов: настроечного размера, подачи и глубины резания, вибрации технологической системы, температурных воздействий, погрешностей формы. Обеспечена возможность выявления факторов наиболее значимо влияющих в конкретных условиях на величину припуска.

3. Построена математическая модель описывающие влияние на допуск деталей следующих исследуемых факторов: а — глубины резания, Sподачи режущего инструмента, V — скорости резания, а также dдиаметра детали, 1 — длины детали, h — величины зазора между заготовкой и внутренней поверхностью люнета, Е — модуля упругости.

4. В условиях АООТ «НИТИ — ТЕСАР» на токарных станках продольного точения моделей АПТ — 901БР и АПТ — 904 М выполнены экспериментальные исследования, которые позволили уточнить законы распределения размеров и шероховатости деталей. Выявить закономерности влияния на рассеивание размеров деталей величин: материала, диаметра и длины заготовки, подачи, глубины резания.

5. Разработана методика расчета оптимальной величины зазора в люнетной цанге, учитывающая влияние случайных факторов и позволяющая.

123 производить расчеты для стационарной и подвижной конструкции люнета.

6. Построена автоматизированная система расчета зазора при механической обработке заготовок, существенно упрощая расчетные операции. Разработанная программа может быть включена в программное обеспечение токарного станка АПТ и использоваться для автоматической настройки люнетного зазора.

7. Результатом исследований является внедрение усовершенствованной конструкции управляемого люнета токарного станка модели АПТ -904М, предназначенного для обработки шейки штоков автомобильных амортизаторов.

8. Экономическая эффективность от применения постоянного оптимального значения зазора в люнетной цанге при использовании только одного токарного автомата составляет 76 733 рубля в год.