CC BY
0
УДК 621.7.08: 621.941.27
ДИАГНОСТИКА ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ТОЧНОСТИ МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОВРЕМЕННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
В.Г. Мосур1, О.В. Шарков2
1 Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта (БФУ им. И. Канта),
Россия, 236016, г. Калининград, ул. А. Невского 14; 2Калининградский государственный технический университет (КГТУ), Россия, 236022, г. Калининград, Советский пр-т, 1.
Показано влияние отклонения от прямолинейности при перемещении суппорта токарного станка на общую погрешность обработки. Приведены результаты тестирования геометрической точности токарно-обрабатывающего центра с ЧПУ с применением современной измерительной системы.
Ключевые слова: сервисное обслуживание, погрешность обработки, точность, качество, станок.
DIAGNOSTICS OF THE GEOMETRIC ACCURACY OF METAL-CUTTING EQUIPMENT
USING MODERN MEASURING SYSTEMS
V.G. Mosur, O.V. Sharkov
Immanuel Kant Baltic Federal University (IKBFU), Russia, 236016, Kaliningrad, A. Nevsky str., 14, Kaliningrad State Technical University (KSTU), Russia, 236022, Kaliningrad, Sovetsky ave, 1. The effect of straightness error when moving the turning lathe support on the total processing error is shown. The results of testing the geometric accuracy of a CNC turning center using a modern measuring system are given. Keywords: service, processing error, accuracy, quality, machine tool.
Требования к точности и качеству деталей, изготовленных на металлорежущем оборудовании методами механической обработки -актуальная проблема современного машиностроительного производства[1-3].
В этой связи правильное сервисное обслуживание металлорежущего оборудования, основную часть которого составляют различные виды металлорежущих станков, должно базироваться на точной и достоверной информации, среди которой важное место занимают показатели геометрической точности [4-8].
Погрешности обработки являются причиной разнообразных многочисленных проблем, связанных с качеством машиностроительных изделий, которые выражаются, в основном, различными объёмами устранимого и неустранимого брака. Это ведёт к повышению себестоимости продукции, которая складывается из расходов, связанных с дополнительной обработкой деталей, потерей рабочего времени, снижения производительности и др. [9-14].
Также качество выпускаемой продукции зависит от соответствия оборудования паспортным характеристикам. В производственных
условиях, перед пуском металлорежущего станка в эксплуатацию проводятся различные по целям и объёму испытания, определяющие его функциональные возможности и точностные характеристики. Основные результаты силовых и технологических испытаний, а также результаты проверки геометрической точности фиксируются в паспорте во время приёмочных испытаний.
Кроме проверки геометрии во время приёмочных испытаний, на протяжении жизненного цикла станка этим испытаниям он подвергается неоднократно и зависит от каждой конкретной ситуации. В обязательном порядке проверке геометрической точности подвергают станки после капитального ремонта станка.
В рамках сервисного обслуживания (организационно-технических мероприятий), на предприятиях разрабатывают ежегодные графики проверки геометрической и технологической точности металлорежущего оборудования, наиболее задействованного на основных производственных процессах. Обязательной проверке на геометрическую точность подвергают оборудование после аварийных ситуаций до принятия
1Мосур Владлен Григорьевич - кандидат технических наук, доцент образовательно-научного кластера «Институт высоких технологий», тел. +7(4012)59-55-85; e-mail: vmosur@kantiana.ru;
2Шарков Олег Васильевич - доктор технических наук, профессор кафедры «Теория механизмов и машин и детали машин», тел. +7(4012)99-53-45; e-mail: oleg.sharkov@klgtu.ru.
Диагностика геометрической точности металлорежущего оборудования
решения о дальнейшей его эксплуатации или ремонте.
Фиксация результатов оформляется соответствующими актами, которые перерабатываются при статистическом анализе технического состояния оборудования.
Родоначальником разработки методик проверки и норм точности является Г. Шлезингер, который в 1927 году предложил систему проверок для определения точности изготовления станков, которая стала основой правил испытания станков на точность и методов проверки и норм точности, принятых в ряде стран [15].
В настоящее время проверка точности станков регламентируется различными нормативными документами, например, ГОСТ 8-82 «Станки металлорежущие. Общие требования к испытаниям на точность», ГОСТ 25443-82 «Станки металлорежущие. Образцы-изделия для проверки точности обработки. Общие технические требования», ГОСТ 18097-93 (ИСО 1708-8-89) «Станки токарно-винторезные и токарные. Основные размеры. Нормы точности».
Между тем, диагностика точности станка зависит от влияния множества факторов, которые влияют на его точность и вызывают погрешности при обработке. К таким факторам относятся: геометрическая точность системы «станок - приспособление - инструмент - заготовка», температурные деформации, технологическая жёсткость, устойчивость при перемещении узлов, вынужденные колебания, размерный износ инструмента и др. [16-19].
Все перечисленные факторы, за исключением геометрической точности, являются переменными и управляемыми. Они зависят в основном от правильности настройки станка, в частности от соблюдения расчётных параметров режимов резания при обработке. Например, превышение от расчётных значений частоты вращения шпинделя, глубины снятия припуска или скорости подачи инструмента неизменно ведёт к температурным деформациям, интенсивному износу инструмента, критическим нагрузкам на шпиндельные опоры.
Поставляемое на предприятия металлообрабатывающее оборудование сопровождается технической документацией, в объёме которой имеются сведения о приёмке станка, а также информация о его геометрической точности. Достоверность получения этих сведений основана на принятых типовых методиках проверки точности.
Наиболее часто проверяемые параметры: радиальное и торцевое биение шпинделя, параллельность оси шпинделя перемещению стола, прямолинейность перемещения в осях, круг-лость, овальность и др. Полнота проверяемых
параметров зависит от класса точности станка. В зависимости от объёма проводимых замеров такие проверки могут быть существенны во временном интервале.
Следует заметить, что влияние геометрической неточности станка на погрешность при обработке деталей может доходить до 20.. .25 % от общей погрешности.
Рассмотрим влияние отклонения от прямолинейности в процессе перемещения суппорта токарного станка в горизонтальной (дх ) и вертикальной (д У ) плоскостях на погрешность изготовления деталей цилиндрической формы методом точения. В качестве примера примем широко используемый на машиностроительных предприятиях универсальный то-карно-винторезный станок 1К62 нормальной точности. При точении используем проходной токарный резец 2102-0084 с пластинами из твердого сплава.
Погрешность обработки, обусловленная геометрической точностью станка, определяется по формуле [20]
0-2-Г ^2 ^
д = | ^(к + дх )2 + д у + — | = к , (1)
1 8 г J
где к - начальный радиус заготовки при обработке;
5 - подача на резец; г - радиус при вершине резца.
Величину радиуса при вершине резца примем г =1,2 мм согласно ГОСТ 18877-73 «Резцы токарные проходные отогнутые с пластинами из твердого сплава. Конструкция и размеры». Подачу примем согласно паспорту станка равную 5 =0,3 мм/об и 0,7 мм/об.
Отклонения от прямолинейности при перемещении суппорта станка дх и д У плоскостях регламентируется ГОСТ 18097-93 (ИСО 1708-8-89) «Станки токарно-винторезные и токарные. Основные размеры. Нормы точности».
На рис. 1 показаны результаты расчетов по формуле (1), характеризующие изменение погрешности обработки вследствие отклонения от прямолинейности при перемещении суппорта станка в горизонтальной плоскости при начальном радиусе заготовки к =30 мм и постоянной величине д У =0,010 мм.
Как видно из полученных результатов при увеличении отклонения от прямолинейности в диапазоне от 0,01 до 0,05 мм погрешность обработки линейно возрастает в 1,64.3,10 раза в зависимости от величины подачи.
В табл. 1 показаны результаты расчетов по формуле (1), характеризующие степень влияния отклонений от прямолинейности при перемещении суппорта станка в горизонтальной и вертикальной плоскостях на погрешность обработки
при начальном радиусе заготовки к =30 мм и величине подачи резца 5 =0,3 мм/об.
А,
мм 0,08
0,06
0,04
0,02
/2 ^
1
0,01
0,02
0,03
0.04 АХ, мм
Рисунок 1 - Влияние геометрической точности на погрешность обработки при величине подачи резца: 1 - 0,3 мм/об; 2 - 0,7 мм/об.
Приведенные результаты показывают, что отклонение от прямолинейности при перемещении суппорта станка в вертикальной плоскости существенно меньше (на несколько порядков) влияет на величину погрешности обработки. Следовательно, диагностика геометрической точности с учетом только одного параметра может привести к недостоверным результатам.
Таблица 1 - Изменение
Мероприятия по проверке оборудования на геометрическую точность требуют наличия специального инструмента [21].
Стандартным измерительным инструментом при проверках на геометрическую точность оборудования являются: индикаторные магнитные стойки с индикаторами часового типа с ценой деления 0,01, 0,002 и 0,001 мм, консольные или центровые шлифованные контрольные оправки с шероховатостью до Ка 0,8 мкм и твёрдостью НКС 52, поверочные линейки и угольники, концевые меры, щупы толщиной 0,03...0,5 мм. Все эти инструменты должны быть калиброваны, либо поверены. Наиболее актуально поддержание точности на уровне паспортных характеристик для оборудования с ЧПУ, так как именно такое оборудование задействовано в изготовлении продукции в больших объёмах в крупносерийном и массовом производстве. Стандартный трёхкоординатный фрезерный станок с ЧПУ обладает 21 степенью свободы. Совокупность взаимных перемещений узлов, широкий спектр динамических воздействий могут оказывать на точность позиционирования и точность изготовления продукции. Эти изменения не всегда можно оперативно отследить до появления брака. погрешности обработки
Погрешность обработки Величина отклонения от прямолинейности в горизонтальной АХ плоскости при постоянной величине А У =0,01 мм
0,01 0,02 0,03 0,04 0,05
А , мм 0,01937 0,02937 0,03937 0,04937 0,05937
Величина отклонения от прямолинейности в вертикальной А У плоскости при постоянной величине А Х =0,015 мм
0,01 0,02 0,03 0,04 0,05
А , мм 0,02437 0,02438 0,02439 0,02440 0,02441
В настоящее время одним из подходов, применяемых для решения этих проблем применительно к станкам с ЧПУ, является использование различных измерительных систем [8, 2224]. К ним можно отнести измерительную систему QC20-W BaПbar, выпускаемую фирмой «Reшshaw» (Великобритания) [25] и предназначенную для оценки точности и выявления как статических, так и динамических неисправностей. C помощью данной системы предполагается в ближайшем будущем усовершенствовать современные стандарты для диагностики технического состояния станков.
Сущность работы системы основана на предположении того, что если точность позиционирования оборудования с ЧПУ соответствует паспортным характеристикам, то окружность, которая представляет траекторию перемещения инструмента, будет точно соответствовать запрограммированной круговой траектории. На практике, при изготовлении продукции любая из ошибок ведёт к изменению радиуса реальной
окружности от радиуса запрограммированной окружности. В данном случае точное измерение координат круговых перемещений позволяет получить критерий оценки технического состояния сравнением с траекторией, заданной в программе.
В комплект системы входит прециозный линейный датчик, с помощью которого производится измерение радиуса при вращении системы Ballbar вокруг неподвижной точки. Получаемые данные используют в расчётах показателей, которые характеризируют качество контурной обработки, таких как овальность, конусность, круглость, отклонение от окружности.
Основные технические данные системы: разрешение датчика 0,1 мкм; точность датчика Ballbar 0,5 мкм; точность измерений системы 1,25 мкм.
Система работает следующим образом (рис. 2). Сферы датчика фиксируются в магнитных держателях, один из которых крепится на столе станка, а другой в посадочное место
Диагностика геометрической точности металлорежущего оборудования ...
шпинделя. Тестирование проводится по «полной дуге» и по неполной дуге в 220° в плоскостях, проходящих через ось центрального держателя. Это позволяет тестировать в трёх взаимно перпендикулярных плоскостях.
Система имеет программное обеспечением, которое позволяет обрабатывать данные, подробно анализировать ошибки и предоставлять их в графическом и цифровом виде. Далее, через модуль Bluetooth информация для обработки передаётся на компьютер. Проверка проводится в течение не более 10 минут. Проведение теста рекомендуется каждые 12 месяцев.
Результаты соответствуют отечественному стандарту ГОСТ 30544-97 «Станки металлорежущие. Методы проверки точности и постоянства отработки круговой траектории» и международным стандартам ISO 230-4:2022 «Test code for machine tools. Part 4: Circular tests for numerically controlled machine tools», ASME B5.54:2005 «Methods for performance evaluation of computer numerically controlled machining centers».
даёт лишь косвенную гарантию точности обработки на станке, так как не учитывает даже технологическую жёсткость станка, от которой зависит точность станка под нагрузкой. Влияние «человеческого фактора» в процессе эксплуатации станка тоже исключить нельзя.
Рисунок 3 - Диаграмма проверки точности по параметрам отклонения от прямолинейности и перпендикулярности
Рисунок 2 - Система QC20-W Ballbar в процессе отработки
В качестве примера рассмотрим результаты тестирования токарно-обрабатывающего центра с ЧПУ модели Emcoturn Е-25 компании «Emco» (Швейцария) [26], выпущенного в 2012 году.
Проверка показала тождественность замеров стандартным способом с отклонением не более 5%. Однако тестирование с помощью системы Renishaw QC20-W Ballbar позволила выявить больший объём показаний, учитывающих превышение люфтов, отклонений и рассогласований шкал по осям (рис. 3,4). Это позволяет более полно и тщательно запланировать сервисное обслуживание.
Например, превышение показаний по люфтам позволяют оценить их критичность и произвести соответствующую корректировку в виде подтяжки шарово-винтовых передач по осям. Поэтому предлагаемая система более предпочтительна проверкам стандартными способами.
Проверка металлорежущего оборудования на геометрическую точность важна, но она
Рисунок 4 - Диаграмма проверки точности по параметрам выброса обратного хода и показаниям люфтов
Тем не менее, статистический анализ параметров геометрической точности и регулярные проверки способствуют своевременному выявлению потенциальных поломок и позволяют спланировать мероприятия по предотвращению аварийных остановок оборудования. Кроме этого, правильность проверяемых параметров всегда можно подтвердить на контрольно изготовленной деталью с одновременной проверкой её шероховатости.
Применение современных методик диагностики геометрической точности позволяют снизить трудоёмкость и повысить их достоверность. Применение диагностирующих систем в сравнении со стандартными методиками проверки, позволяет существенно уменьшить простой станков и многократно увеличить выявляе-мость отклонений. Всё это позволяет говорить о
том, что современные методы диагностики полностью вписываются в широко внедряемую на отечественных предприятиях стратегию сервисного обслуживания оборудования «Плановая диагностика».
Литература
1. Никулушкина О.М. Повышение качества деталей, получаемых на фрезерных станках с ЧПУ // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. № 6. С. 227-230.
2. Заковоротный В.Л., Бордачев Е.В. Прогнозирование и диагностика качества обрабатываемой детали на токарных станках с ЧПУ // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 1996. № 1. С. 95104.
3. Ferting A., Weigold M., Chen Y. Machine learning based quality prediction for milling processes using internal machine tool data // Advances in Industrial and Manufacturing Engineering. 2022. V. 4. 100074. https://doi.org/10.1016/j.aime.2022.100074.
4. Аникеева О.В., Ивахненко А.Г. Дальнейшее развитие вариационного метода расчета геометрической точности металлорежущих станков // Металлообработка. 2018. № 5(107). С. 43-47.
5. Перлов М.С. Геометрическая точность станков с ЧПУ // Конструкторское бюро. 2020. № 5. С. 49-59.
6. Кузнецов А.П. Геометрическая точность металлорежущих станков: Компенсация, коррекция, управление. Часть 1. // Станкоинструмент. 2020. № 1(18). С. 40-47. doi: 10.22184/2499-9407.2020.18.1.40.47.
7. Guo S., Yang J., Qiao G., Mei X. Assembly deviation modelling to predict and trace the geometric accuracy of the precision motion system of a CNC machine tool // Mechanism and Machine Theory. 2022. V. 169. 104687. https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2021.104687.
8. Doerrer F., Otto A., Kolouch M., Rentzsch H., Ihlen-feldt S. Virtual sensor for monitoring the geometric and kinematic accuracy of machine tools // Procedia CIRP. 2023. V. 117. P. 98-103. https://doi.org/10.1016/j.procir.2023.03.018.
9. Прилуцкий В.А. Причины, математические модели, методы уменьшения периодических погрешностей обработки заготовок на станках // СТИН. 2020. № 1. С. 18-23.
10. Мещерякова В.Б. Программная функция с ЧПУ станков для прогнозирования точности и компенсации погрешностей обработки // Технология машиностроения. 2021. № 8. С. 32-37.
11. Казакова О.Ю., Казаков А.А. Повышение точности обработки на станках за счет минимизации погрешностей инструментальных систем // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2016. № 12(66). С. 35-39.
12. Утенков В.М., Полканов Е.Г., Чиркин А.В., Быков П.А. Расчет следа обработки с учетом погрешностей станка с ЧПУ и инструмента // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2016. № 8. С. 11-19.
13. Li Q., Wang W., Zhang J., Shen R., Li, H., Jiang Z. Measurement method for volumetric error of five-axis machine tool considering measurement point distribution
and adaptive identification process // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2019. V. 147. 103465.
https://doi.org/10.1016/jijmachtools.2019.103465.
14. Gu J., Agapiou J.S. Incorporating local offset in the global offset method and optimization process for error compensation in machine tools // Procedia Manufacturing. 2019. V. 34. P. 1051-1059. https://doi.org/10.1016/j.promfg.2019.06.091.
15. Шлезингер Г. Проверка металлообрабатывающих станков на точность. Москва: Московское акционерное издательское общество,1929. 98 с.
16. Шитов А.М. Комплексная диагностика шпиндельных узлов профилешлифовальных станков // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2011. № 2. С. 85-92.
17. Молчанов А.А., Хорошко Л.Л., Кузнецов П.М. Экспериментальное обоснование безразборной диагностики элементов металлорежущих станков // СТИН. 2023. № 1. С. 5-8.
18. Rooker T., Stammers J., Worden K., Potts G., Kerrigan K., Dervilis N. Error motion trajectory-driven diagnostics of kinematic and non-kinematic machine tool faults // Mechanical Systems and Signal Processing.
2022. V. 164. 108271. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2021.108271.
19. Vogl G.W., Calamari M., Ye S., Donmez M.A. A Ssnsor-based method for diagnostics of geometric performance of machine tool linear axes // Procedia Manufacturing. 2016. V. 5. P. 621-633. https://doi.org/10.1016/j.promfg.2016.08.051.
20. Жуковец П.Г Влияние геометрической неточности станка на точность двухсторонней токарной обработки // Вестник Могилевского государственного технического университета. 2006. № 1. С. 69-72.
21. Белоногов В.Б. Оборудование для диагностики отказов станков с ЧПУ // Главный механик. 2020. № 1. С. 8-20.
22. Шитов А.М., Кондратьев И.М., Орлов А.В. Система регистрации и обработки диагностических параметров узлов металлорежущих станков // Тенденции развития науки и образования. 2016. № 18-2. С. 41-43. doi: 10.18411/lj2016-9-2-13.
23. Кольцов А.Г., Вахмянина С.В., Чумаченко И.М. Применение контрольно-измерительных систем на станках с ЧПУ // Динамика систем, механизмов и машин. 2016. № 1. С. 330-333.
24. Gao W., Ibaraki S., Donmez M.A., Kono D., Mayer J.R.R., Chen Y.-L., Szipka K., Archenti A., Linares J.-M., Suzuki N. Machine tool calibration: Measurement, modeling, and compensation of machine tool errors // International Journal of Machine Tools and Manufacture.
2023. V. 187. 104017. https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2023.104017.
25. Renishaw [Электронный ресурс] URL: https://www.renishaw.com/en/renishaw-enhancing-effi-ciency-in-manufacturing-and-healthcare--1030. (дата обращения 15.06.2023).
26. Emco [Электронный ресурс] URL: https://www.emco-world.com/ru/produkt/tokarnyi/em-coturn/emcoturn-e25.html (дата обращения 15.06.2023).
