Кинематическая точность станков

Точность поверхностей, образованных резанием, зависит от ряда факторов, важнейшими из которых являются точность геометрической формы режущего инструмента точность установки инструмента и заготовки на станке, геометрическая точность станка, кинематическая точность станка, динамические явления, сопровождающие процесс резания (деформации, отжатия, крутильные колебания валов станка и т. п.).

Рассмотрим влияние отклонений параметров профилирующего и делительного движений (траектории, пути, скорости, направления, положения начала движения) на образуемую поверхность.

Отклонения траектории исполнительного формообразующего движения оказывают нередко наибольшее влияние на геометрическую форму поверхности. Траектория движения лезвия инструмента создается, как известно, различными способами — в зависимости от характера исполнительного движения.

Если движение формообразования простое, оно зависит от работы исполнительной кинематической пары (вращательной или поступательной) между исполнительными звеньями и от правильного геометрического положения этой пары относительно обрабатываемого изделия. При образовании поверхности двумя или тремя простыми исполнительными движениями форма образуемой поверхности будет также зависеть от относительного положения Этих кинематических пар, т. е. от геометрической точности станка.

При формообразовании поверхности сложными исполнительными движениями в ссздании каждого из них участвует больше одной кинематической пары, подвижное звено которой имеет одну степень свободы. В этом случае на форму образуемой поверхности будет влиять не только геометрическое положение простых исполнительных кинематических пар, но и отклонения от заданных отношений скоростей движений, совершаемых подвижными исполнительными звеньями этих пар, т. е. от геометрической и кинематической точности станка.

Таким образом, отклонения от требуемой траектории относительного формообразующего движения имеют следствием отклонения геометрической формы образуемой поверхности от заданной.

Отклонения параметра пути, характеризуемого его величиной в линейных или угловых мерах, будут создавать отклонения в размерах, ограничивающих образуемую поверхность (отклонения в протяженности), или отклонения от правильного относительного расположения элементарных поверхностей, Если нет необходимости получить строго регламентированную протяженность образуемой поверхности, то к механизму станка, осуществляющему параметр пути, особых требований не предъявляют.

Отклонения параметра пути от заданного имеют важное значение для делительного движения, так как от него зависит взаимное расположение повторяющихся поверхностей, из которых составляется вся поверхность изготовляемой детали. Поэтому к делительным группам предъявляют нередко очень строгие требования, в том числе и к делительным механизмам, ограничивающим периодическое делительное движение, т. е. определяющим параметр пути.

Параметр скорости формообразующего движения ни на геометрическую форму, ни на протяженность образуемой поверхности непосредственного влияния не оказывает. В основном он влияет на чистоту поверхности и на производительность, поэтому отклонения от заданных скоростей движения (скорости резания и скорости подачи) допустимы в тех пределах, которые определяются требованиями, предъявляемыми к чистоте обработанной на станке поверхности и к производительности станка.

Параметр направления относительного движения легко выдерживается с необходимой строгостью.

Ошибки начального (исходного) положения лезвия инструмента относительно заготовки могут оказывать влияние как на форму образуемой поверхности, так и на ее размеры.

Таким образом, станок должен иметь:
а) достаточную геометрическую точность (т. е. точность относительного расположения исполнительных кинематических пар), если он образует поверхность простыми — вращательным и прямолинейным —формообразующими движениями;
б) вполне определенную кинематическую точность (т. е. точность сохранения заданных отношений скоростей перемещения подвижных исполнительных звеньев, участвующих в создании одного и того же сложного исполнительного движения), если поверхность образуется одним или несколькими сложными формообразующими движениями.

Кинематические ошибки станка создаются внутренними кинематическими связями, состоящими из одной или нескольких кинематических цепей в зависимости от числа взаимосвязанных элементарных движений, составляющих сложное формообразующее движение. Ошибки этого рода могут быть как у нового станка, так и возникать во время эксплуатации станка по мере износа рабочих поверхностей его звеньев. Звеньями внутренней кинематической цепи станка чаще всего являются элементы зубчатых (цилиндрических, конических, червячных) и винтовых (ходовой винт и гайка) передач. Поэтому возникновение кинематических ошибок рассматривается дальше применительно к кинематическим цепям, составленным из таких передач.

Звенья любой кинематической цепи изготовляются всегда с ошибками или погрешностями (по профилю зуба, шагу, радиальному и осевому биению, углу наклона зуба, среднему диаметру резьбы, углу профиля резьбы), величина и направление (знак) которых зависят от многих факторов и ограничиваются установленным классом точности изготовления звеньев. Эти погрешности будут порождать ошибки в скоростях угловых и линейных перемещений исполнительных звеньев станка.

Линейные ошибки ведущего звена высшей кинематической пары передаются общей нормали к сопряженным профилям в точке их соприкосновения, эта линия в зубчатых передачах называется линией зацепления.

Очевидно, что осевые линейные ошибки червяков, реек и ходовых винтов будут передаваться на червячные и реечные колеса или на гайку непосредственно, т. е. с линейным передаточным отношением, равным единице.

На каждом звене цепи имеется ряд линейных ошибок, и так как кинематическая цепь состоит из большого количества звеньев, то естественно, что угловые или линейные ошибки при перемещении конечного звена, соответствующем одному циклу его работы, будут различными. Обычно рассматривают линейные или угловые ошибки на том конечном звене цепи, которое приводит в движение заготовку, так как такие ошибки вызывают отклонения геометрической формы и размеров поверхности, образуемой на обрабатываемой детали. Отклонения в движении второго конечного звена приводятся к первому конечному звену. Алгебраическая сумма этих ошибок дает относительную линейную или угловую кинематическую ошибку всей кинематической цепи.

Например, в зубодолбежном станке в движении обкатки относительная ошибка угловых скоростей может быть учтена через поступательное перемещение измерительного стержня относительно рычага, что соответствует линейной ошибке конечного звена, отнесенной к плечу действия этой ошибки.

На основании анализа исходные линейные ошибки можно разбить на две группы:
1) ошибки, время действия которых равно времени одного оборота звена; к ним относятся накопленная ошибка окружного шага, радиальное биение — для прямозубых колес и дополнительно осевое биение — для косозубых колес и червяков;
2) ошибки, время действия которых соответствует небольшой части оборота звена, в частности, равно времени поворота зубчатого колеса на один зуб. К ним относятся единичные ошибки шага, ошибки профиля и направления зуба по его длине.

Накопленная погрешность шага для червяков и ходовых винтов принимается для всей длины нарезки, а не на один оборот, как у зубчатых колес. Поэтому, относя ее к одному обороту условно, берут допуск на разность соседних шагов.

Ввиду сложности законов рассеивания ошибок на звеньях кинематической цепи и на обрабатываемой детали определяется не относительная угловая ошибка в повороте заготовки, а получающиеся погрешности на обрабатываемой детали с тем, чтобы их сравнить с допускаемыми отклонениями (с допусками). В передаточное отношение входит диаметр обрабатываемого колеса. Следовательно, приведенные линейные ошибки от звеньев, входящих в ветвь цепи зуборезного станка, в которой имеются ходовой винт и гайка, не будут зависеть от диаметра делительной окружности обрабатываемого колеса.

Анализ зависимостей, определяющих кинематическую точность внутренних цепей, позволяет сделать выводы, которые нужно учитывать при проектировании внутренних кинематических цепей в прецизионных станках с кинематической структурой, состоящей из кинематических групп деления и сложных кинематических групп формообразования.

Необходимо:
1) стремиться к наименьшему количеству промежуточных звеньев, составляющих кинематическую цепь;
2) располагать зубчатые передачи от ведущего вала до конечного звена цепи в порядке возрастающей степени редукции;
3) избегать повышающих передач, передач косозубых и конических, а также червячных передач с многозаходным червяком, которые обладают дополнительными линейными ошибками;
4) располагать звенья с большими угловыми ошибками ближе к звену привода, особо точными должны быть конечные звенья цепи, в частности, диаметр делительного червячного колеса желательно делать значительно больше максимального диаметра обрабатываемого колеса;
5) стремиться к уменьшению осевых линейных ошибок червяков и ходовых винтов, так как они без всякого уменьшения переходят на сопряженные с ними звенья;
6) располагать органы настройки ближе к конечным звеньям, сменные зубчатые колеса желательно брать по возможности большего диаметра: они имеют меньшие угловые ошибки;
7) не применять зубчатых колес с корригированным зацеплением,а в особо точных цепях возможно применение зацепления.

При изготовлении нового станка, а также при эксплуатации и ремонте станка необходимо знать кинематическую точность работы его внутренних кинематических цепей. Для этого нужно измерить непосредственно на станке относительные перемещения конечных звеньев цепи. Эта проверка должна удовлетворять следующим условиям:
1) проверка производится при непрерывном движении станка, желательно под нагрузкой и периодическая остановка станка во время измерения не может обеспечить надежных и объективных результатов контроля, так как различная инерционность движущихся элементов станка создает натяги и зазоры между звеньями измеряемой кинематической цепи;
2) неточность установки прибора или приспособления относительно звеньев, перемещения которых измеряются (несоосность прибора и конечного вращающегося звена и т. п.), не должна оказывать влияния на результаты проверки;
3) результаты измерения должны не только показать суммарную неточность всей цепи, но и выявить неточность, создаваемую каждым промежуточным звеном, что позволит найти источник кинематической ошибки;
4) точность измерения углов должна быть высокой;
5) способ измерения должен быть простым, удобным для применения в цеховых условиях, без сложных приборов, требующих лабораторных условий, экономичным и не трудоемким.

Эти требования создают большие трудности при измерении кинематической точности станков. Существует несколько методов такой проверки, но ни один из них еще не удовлетворяет всем перечисленным требованиям.

Проверка по пробной детали. По точности обработанной детали определяют кинематическую точность станка. Способ удовлетворяет первому и пятому условиям. Выполнение остальных трех условий будет зависеть от выбранных параметров и методов измерения детали. Для удовлетворения второго условия нередко производят измерения, не снимая детали со станка. Иногда (например, при обработке на зуборезных станках) ошибки детали зависят как от ошибок самого станка, так и от ошибок инструмента и заготовки.

Стоимость пробной детали может быть очень большой, например, при обработке крупных зубчатых колес, и третье условие невыполнимо. Поэтому указанный способ нельзя считать совершенным. Иногда его видоизменяют за счет упрощения вида обработки. Например, точность винторезной цепи токарно-винторезного станка проверяют нанесением винтовой риски на цилиндре и измерением ее шага, точность зубофрезерного станка — нанесением чертилкой, закрепленной на шпинделе фрезы, рисок на диске, установленном на столе станка, и измерением расстояний между нанесенными рисками.

Проверка оптическими приборами (с помощью теодолита или методом зеркального отсчета). Измерение теодолитом производится, например, на зубофрезерном станке следующим образом.

Теодолит устанавливают на столе станка и настраивают станок на нарезание требуемого числа зубьев. Теодолит визируют по коллиматорной трубе, установленной вне станка. После поворота фрезерной оправки точно на один оборот теодолит вместе со столом поворачивают на некоторый угол. Затем теодолит поворачивают относительно стола до исходного положения, устанавливаемого снова по коллиматорной трубе, а угол поворота теодолита измеряют по его шкале с точностью до 3'. Этот способ точен, но не удовлетворяет первому условию и поэтому применяется редко. Кроме того, измерение этим способом трудоемко и требует от исполнителя высокой квалификации.

Измерение методом зеркального отсчета по методике близко к измерению с помощью теодолита, но дает менее точные результаты.

Проверка с помощью механических приборов, непосредственно и непрерывно измеряющих избыточные относительные перемещения конечных звеньев измеряемой цепи. Для измерения винтового движения применяется прибор системы Д. И. Писарева.

Установленный в центрах токарно-винторезного станка короткий точный (эталонный) винт вращается, а гайка перемещается прямолинейно. В гайку упирается измерительный стержень индикатора, миниметра или самописца, закрепленного в резцедержателе. Станок настраивается на шаг винта-эталона. Если между перемещениями гайки и суппорта будет разница, то на диаграмме самописца вместо прямой получится волнистая линия, по которой и определяются ошибки в винторезной цепи. При измерении цепей с длинным ходовым винтом эталонный винт переставляют несколько раз. В этом случае винт получает вращение через удлинительный валик.

Для проверки зуборезных станков применяется универсальный прибор, который отличается от описанного ранее тем, что устанавливается не на столе станка, а вне его. Редуктор прибора заключен в отдельный корпус.

Этим прибором можно измерять отклонения в передаточном отношении любой цепи узла и редуктора с конечными вращающимися звеньями. Прибор соединяется со станком посредством гибких стальных лент. Для обеспечения надежной работы прибора ленты натягиваются направляющими роликами, а фрикционные диски имеют силовое замыкание между собой с достаточным запасом. При настройке прибора на небольшие передаточные отношения используется фрикционная передача. Самописец увеличивает колебания измерительного стержня в 100 раз.

Кинематические ошибки могут быть предупреждены или устранены в процессе изготовления и ремонта станка путем повышения точности изготовления звеньев цепи и более точной сборкой звеньев станка. Это достигается тем, что в процессе сборки точных станков доводится до нужной величины точность всех узлов, от которых зависит точность работы станка.

Второй путь повышения точности работы кинематических цепей состоит в применении методов компенсирования ошибок непосредственно на станке во время его работы с помощью специальных (коррекционных) устройств. По такому же принципу включаются в схему зубофрезерных и других сложных станков аналогичные устройства. От кривой ошибок, реализованной на диске или на линейке, ведущее звено компенсирующей кинематической цепи через суммирующий механизм сообщает необходимое добавочное движение конечному звену внутренней цепи.

Устройства этого рода сами имеют ошибки, и основное предъявляемое к ним требование - наименьшая собственная погрешность. Это достигается за счет применения устройств с большим масштабом, т. е. с большим отношением перемещения ведущего звена компенсирующего механизма к перемещению конечного звена основной кинематической цепи. В современных станках применяют компенсирующие механизмы с масштабом 100 и выше, иногда до 4000. Обычно с помощью таких механизмов спрямляют кривую ошибок по гармоникам первого порядка, а гармоники второго и более высоких порядков остаются.

Механизмы, компенсирующие кинематические ошибки, конструктивно довольно сложны, поэтому они применяются лишь в станках повышенной точности, главным образом — для инструментальных цехов.