2.1.1 Обоснование применения

В устройствах, работающих по трехконтактной схеме (рис. 1), скоба 8 снабжена жестко связанными с ней измерительным 1 и базовым 9 наконечниками, опирающимися на обрабатываемую поверхность и обеспечивающими строго определенное взаимное расположение оси обрабатываемой детали 2 и скобы. Второй измерительный наконечник связан со стержнем 5, который может перемещаться относительно скобы 8. Изменение размера D обрабатываемой детали воспринимается отсчетным устройством 7 или чувствительным элементом этого устройства (индуктивным датчиком, выходным соплом и т.д.), жестко связанным со скобой.

В большинстве случаев скобу специальным устройством закрепляют на кожухе шлифовального круга. Это удобно при установке и съеме детали, так как бабка шлифовального круга отводится от детали на значительное расстояние. Такое закрепление удобно также при шлифовании одним кругом последовательно нескольких шеек обрабатываемой детали.

В случае шлифования с продольной подачей устройство для установки скобы закрепляют на столе станка или на передней (задней) бабке, чтобы исключить относительное перемещение скобы и детали вдоль ее оси, влияющее на точность измерения. В этом случае измеряют диаметр обрабатываемой детали в одном сечении вдоль ее оси. Конструкция устройства для установки трехконтактной скобы на станке (рис.2.2.1) обеспечивает необходимую степень свободы для ее само- Рис.2.2.1 Схема трехконтактной установки на поверхности детали измерительной скобы благодаря наличию шарниров 4 и 6. Наконечники 1 и 9 к поверхности детали прижимают грузом 3 или специальной пружиной.

При контроле деталей больших размеров и особенно таких деталей, обработка которых ведется в люнетах, применяют измерительные устройства с призмой («наездники»).

Существующие устройства с призмой строят по двум измерительным схемам. На рис.2.2,а приведена принципиальная схема, где косвенное измерение диаметра вала осуществляется измерительной головкой 2 по биссектрисе угла, образованного опорными поверхностями призмы 1.

Существенным недостатком этой схемы является то, что передаточное отношение к отклонениям от правильной геометрической формы (овальность, огранка) оказывается большим, чем к изменению диаметра вала. Поэтому при величине овальности, например, равной полю допуска на диаметр, практически невозможно вести точный контроль обрабатываемого диаметра без применения усредняющих или вычислительных устройств.

Рис.2.2.2. Измерительные устройства с призмой: а - схема измерения вала по биссектрисе угла призмы; б - схема измерения вала перпендикулярно биссектрисе угла призмы

В другой схеме (см. рис.2.2, б) косвенное измерение диаметра осуществляют по линии, перпендикулярной биссектрисе угла между опорными поверхностями призмы 1, измерительной головкой 2 с помощью передающего рычага 3.

Передаточное отношение такой схемы к овальности, огранке практически равно передаточному отношению при измерении диаметра вала. Поэтому эта схема обладает более высокими метрологическими данными.

В случае контроля длинных деталей, обрабатываемых с продольной подачей, или деталей с несколькими обрабатываемыми шейками измерительные устройства типа «наездники» обычно крепят к кожуху шлифовального круга. При этом измерительное устройство будет непрерывно вести контроль по всей шлифуемой длине детали.

В других случаях устройства крепят к столу станка или к передней бабке станка.

К преимуществам трехконтактной схемы следует отнести независимость показаний измерительного устройства от изменения взаимного положения обрабатываемой детали и узлов станка, так как измерительные устройства базируются непосредственно на измеряемой поверхности.

Схема позволяет использовать в качестве отсчетных устройств сравнительно простые измерительные головки и индикаторы с механической передачей, так как конструкция скобы (призмы) позволяет без особых затруднений вынести эти головки из зоны обработки для исключения загрязнения и для удобства отсчета показаний.

К недостаткам следует отнести трудность автоматизации ввода измерительной скобы в рабочее положение и ее вывод, необходимость в значительном ходе при вводе и выводе скобы для установки и съема обрабатываемых деталей на станке, затруднения в обработке с продольной подачей при обычном закреплении скобы на кожухе шлифовального круга.

В устройствах, работающих по двухконтактной схеме (рис. 3), измерительные наконечники 1 и 3 закреплены на каретках (рычагах) 5 и 6, позволяющих наконечникам следить за изменением обрабатываемого размера детали 2. С одной из кареток связано отсчетное устройство 4 или чувствительный элемент этого устройства, а с другой кареткой - упор 7.

Рис.2.2.3. Двухконтактное измерительное устройство - двухконтактная скоба

При такой схеме случайные перемещения детали по линии измерения, вызванные силами резания или тепловыми явлениями, не влияют на результаты контроля. Влияние перемещений детали перпендикулярно линии измерения в значительной степени устраняется за счет параллельности измерительных наконечников. Двухконтактные скобы с помощью подводящего устройства 8 обычно крепят на столе станка и с помощью этих скоб контролируют деталь в одном сечении. Прямолинейная траектория ввода и вывода устройства позволяет наиболее просто их автоматизировать.

Двухконтактные измерительные схемы получили наибольшее распространение на автоматизированных станках.

При одноконтактной схеме измерений (рис.4) отсчетное устройство 2 или его чувствительный элемент закрепляют обычно на столе станка и измеряют расстояние обрабатываемой поверхности детали 1 от поверхности стола. Полагая, что высота центров в процессе обработки постоянна, можно считать, что измеряется радиус детали.

Одноконтактная схема проста по конструкции, нет необходимости в вводе и выводе измерительного устройства, и отсутствуют помехи при установке и съеме обрабатываемых деталей.

Рис.2.2.4. Одноконтактное измерительное устройство

Недостатки этой схемы следующие. В измерительную цепь входят узлы станка (стол, передняя и задняя бабки и т. д.), и силовые и температурные деформации этих узлов полностью сказываются на точности показаний. Кроме того, на отсчетное устройство воздействует половина величины изменения диаметра, что также снижает точность измерения.

2.2.2 Схемы установки приборов активного контроля на универсальных круглошлифовальных станках

На протяжении многих лет отечественная промышленность серийно выпускала и выпускает два вида приборов активного контроля для круглошлифовальных станков: приборы с трехконтактными скобами (БВ-711, БВ-3023, АК-3М) и приборы с двухконтактными скобами (типа БВ-1096).

Однако эти приборы до сих пор не получили достаточно широкого применения на универсальных круглошлифовальных станках, несмотря на хорошие метрологические показатели и экономическую целесообразность их применения даже в условиях серийного производства.

Такое положение объясняется рядом причин, зависящих в первую очередь от конструкции скоб, способов их установки на станке и от вида обрабатываемых деталей.

Все детали, цилиндрические шейки которых обрабатываются на круглошлифовальных станках, можно разделить на три группы:

– I группа - детали, имеющие только одну шлифуемую шейку;

– II группа - детали, имеющие несколько шлифуемых шеек одинакового размера;

– III группа - детали, имеющие несколько шлифуемых шеек различных размеров.

В настоящее время все литературные источники рассматривают и рекомендуют лишь два способа установки скоб на круглошлифовальных станках: установка трехконтактных скоб 1 с помощью амортизатора 2 на кожухе 3 шлифовального круга (рис.2.2.5, а) и установка двухконтактных скоб 1 с помощью механизма подвода - отвода 2 на столе 6 станка (рис.2.2.5, б).

К недостаткам следует отнести трудность автоматизации ввода измерительной скобы в рабочее положение и ее вывода, необходимость в значительном ходе при вводе и выводе скобы для установки и съема обрабатываемых деталей на станке. Крепление трехконтактных скоб к кожуху шлифовального круга обладает низкой жесткостью в направлении продольной подачи, что совершенно исключает возможность продольного шлифования и вызывает большую погрешность установки, которая вместе с погрешностью обработки и погрешностью измерения является составной частью суммарной погрешности изготовления.

Погрешностью установки названа погрешность размера обрабатываемой детали, связанная с нестабильностью взаимного расположения детали и скобы, главным образом с перекосом скобы в вертикальной плоскости, проходящей по линии центров станка. Количественно погрешность установки с достаточной полнотой может быть оценена вариацией показаний установленного на станке прибора.

Как показали опыты, вариация показаний приборов с трехконтактными скобами при вращающемся шлифовальном круге и детали может достигать 9 мкм, а в результате суммарного влияния всех погрешностей рассеяние размеров в партии достигает величин, соответствующих полю допуска 2-2а классов точности [4, с.130].

Таким образом, трехконтактные скобы могут применяться только при врезном шлифовании деталей 3 - го класса точности, то есть область их применения весьма ограничена.

Рис.2.2.5. Схемы установки приборов активного контроля на круглошлифовальных станках

Крепление двухконтактных скоб на столе станка позволяет контролировать детали, как при врезном, так и при продольном шлифовании. Вариация показаний установленного на станке прибора зависит от конструкции направляющих механизма подвода - отвода и в среднем составляет 1,4 мкм, а рассеяние размеров партии обработанных деталей соответствует 1 - му классу точности, то есть двухконтактные скобы приборов типа БВ-1096 позволяют уверенно получать детали 2 - го класса точности.

Однако крепление двухконтактных скоб на столе станка имеет ряд недостатков, препятствующих их широкому использованию на универсальных круглошлифовальных станках:

1. Затрудняется установка деталей, особенно тяжелых, в центрах станка.

2. Контроль шлифуемой шейки осуществляется лишь в одном ее сечении, что исключает желательный (в большинстве случаев при продольном шлифовании) одновременный контроль конусности, особенно в процессе шлифования длинных шеек.

3. Подвод и отвод скобы производится специальным обычно гидравлическим механизмом, который заводами - изготовителями вместе со скобами не поставляется.

4. При шлифовании деталей II и III групп рассматриваемый вариант крепления скобы является экономически нецелесообразным. Действительно, при шлифовании этих деталей в одну установку чрезмерно возрастает вспомогательное время на установку скобы вдоль стола и настройку ее на размер, а использование нескольких приборов для контроля каждой шлифуемой шейки исключается ввиду высокой стоимости приборов. В то же время при шлифовании этих же деталей в несколько установок, когда шлифуются поочередно шейки одинакового размера, сильно увеличивается время на установку и снятие деталей.

Таким образом, установка скоб на станке станка является целесообразной лишь при шлифовании легких деталей I группы с короткой шлифуемой шейкой.

С целью устранения перечисленных недостатков на кафедре технологии машиностроения СПбГПУ разработан ряд новых вариантов установки на станке двухконтактных скоб активного контроля.

Установка скобы на столе станка, но со стороны шлифовального круга (рис.2.2.5, в), уже не затрудняет установку детали в центрах, а в остальном не отличается от предыдущей (рис.2.2.5, б).

Отметим, что при любом варианте установки со стороны шлифовального круга (рис.2.2.5, в, г, д, е, ж, з) скобы должны оснащаться специальными Г - или Z - образными губками, чтобы контроль шлифуемой шейки происходил в плоскости шлифовального круга. Опыты показали, что использование удлиненных губок сложной конфигурации в большинстве случаев не вызывает заметных дополнительных погрешностей.

Крепление скобы к шлифовальной бабке (рис.2.2.5, г) устраняет недостатки, присущие креплению скобы на столе станка. В этом случае вариация показаний установленного на станке прибора зависит от конструкции направляющих шлифовальной бабки и составляет в среднем 1,3 мкм. Однако крепление скобы к шлифовальной бабке не обеспечивает постоянства установки по линии центров станка, поэтому по мере износа шлифовального круга измерительные наконечники перемещаются относительно детали и возникает дополнительная погрешность из-за непараллельности наконечников. Для прибора типа БВ-1096 с регулируемыми на размер губками относительная непараллельность достигает примерно 7 мкм на 1 мм длины измерительного наконечника, что может вызвать значительное рассеяние размеров деталей в партии, так как износ круга на 1 мм соответствует 1 - 2 часам работы станка.

Таким образом, крепление скобы к шлифовальной бабке может быть успешно использовано только в массовом производстве деталей при их контроле скобами с нерегулируемыми губками, если обеспечить относительную непараллельность измерительных наконечников не более 0,2 - 0,5 мкм/мм.

Отметим, что при любом варианте крепления двухконтактной скобы к шлифовальной бабке или станине станка (рис.2.2.5, г, д, е, ж, з) продольное шлифование сопровождается скольжением измерительных наконечников вдоль обрабатываемой шейки, но это не приводит к заметным дополнительным погрешностям ввиду высокой жесткости крепления губок и скоб в направлении продольной подачи.

Крепление скобы к станине станка (рис.2.2.5, д) устраняет недостатки крепления скоб на столе станка и обеспечивает постоянство установки скобы по линии центров станка, чем исключается влияние непараллельности измерительных наконечников на показания прибора. В этом случае следует ожидать, что погрешности, связанные с установкой прибора, будут равны нулю. При рассматриваемом варианте крепления скобы к станине станка возможны два способа установки и снятия деталей:

1. Установка и снятие деталей производится в таком положении стола станка, при котором деталь выведена из зоны расположения скобы продольным перемещением стола. Этот прием работы вполне естественен при продольном шлифовании, а при врезном шлифовании приводит к некоторому дополнительному увеличению вспомогательного времени, однако он является единственным приемлемым способом при врезном шлифовании тяжелых деталей на станках, не имеющих механизма ускоренного подвода и отвода шлифовальной бабки.

2. Установка и снятие деталей, обрабатываемых врезным шлифованием во избежание увеличения вспомогательного времени, производится без дополнительного продольного перемещения стола. При таком способе возможно повреждение губок прибора, поэтому он может быть использован только при врезном шлифовании легких небольших деталей преимущественно на станках без ускоренного хода шлифовальной бабки и при обязательном наличии в скобе арретирующего устройства.

Очевидно, что если станок имеет ускоренный ход шлифовальной бабки, то его целесообразно использовать для подвода и отвода скобы.

Крепление скобы 1 (рис.2.2.5, е) к станине станка 5 с помощью каретки 2 с направляющими в виде упругого параллелограмма из плоских пружин, прикрепленного к кронштейну, связанному со станиной, обеспечивает постоянство установки скобы по линии центров станка за счет имеющегося упора и позволяет осуществлять подвод и отвод скобы с помощью специальной связи 7 со шлифовальной бабкой. Испытание этого устройства выявило ряд специфических недостатков, значительно ограничивающих его использование:

1. Наличие противоречия между величиной хода скобы при ее отводе и погрешностью ее установки. Для увеличения хода скобы необходимо увеличить длину плоских пружин упругого параллелограмма, а увеличение длины приводит к потере их устойчивости, особенно при сильном прогибе пружин, что вызывает увеличение вариации показаний прибора, установленного на станке, которая достигала 3 - 4 мкм при прогибе пружин на 25 - 30 мм.

2. Наличие связи 7 (рис.2.2.5, е), которая должна быть регулируемой для компенсации износа шлифовального круга, что усложняет конструкцию рассматриваемого устройства.

Более удачными являются варианты крепления скобы, показанные на рис. 2.2.5, ж и з. Скоба 1 подвешивается с помощью упругого параллелограмма к скалке 2, которая прикрепляется либо к корпусу шлифовальной бабки 4, либо к кожуху 3 шлифовального круга. Выбор места крепления скалки 2 зависит от конструкции станка. В рабочем положении скоба упирается в постоянный упор 7, прикрепленный к станине 5 станка, что обеспечивает постоянство установки скобы по линии центров станка. По мере износа шлифовального круга натяг плоских пружин упругого параллелограмма увеличивается, поэтому во избежание чрезмерного натяга предусмотрена возможность периодической переустановки скобы 1 относительно скалки 2 (примерно одна переустановка в смену).

Рассматриваемые устройства (рис.2.2.5, ж, з) были испытаны не только в лабораторных, но и в производственных условиях на машиностроительном заводе им. Котлякова. Вариация показаний установленного на станке прибора в среднем составляла 1,2 мкм, рассеяние размеров партии отшлифованных валов составляло примерно 12 мкм. Допуск размеров шеек обрабатываемого червячного вала составляет 11 мкм по 5-ому квалитету точности, то есть данная конструкция при некоторой доработке может быть использована для проектирования системы активного контроля червячного вала.

Таким образом, наиболее целесообразными вариантами скоб активного контроля при шлифовании на универсальных круглошлифовальных станках являются представленные на рис. 2.2.5, д, ж, з, которые имеют следующие преимущества:

1) возможность продольного и врезного шлифования;

2) обеспечивается постоянство установки скобы по линии центров станка;

3) не требуется переустановка скобы по длине стола при шлифовании деталей II и III групп;

4) при продольном шлифовании возможен одновременный контроль конусности шлифуемой шейки;

5) облегчается установка деталей в центрах;

6) отпадает необходимость в специальном механизме подвода - отвода скобы.

2.2.3 Конструкция и принцип работы прибора активного контроля

Контрольно-измерительное устройство, изображенное на чертеже ДП.604101.200.СБ (рис.2.2.6), представляет собой приспособление для активного контроля наружных цилиндрических поверхностей деталей при шлифовании на круглошлифовальном станке модели 3М151.

Рис.2.2.6. Система активного контроля размеров червячного вала при шлифовании

металл деталь вал червячный

Контроль гладких валов и валов со шпоночными пазами в процессе обработки методами врезания или продольной подачи осуществляется двухконтактной индуктивной скобой 1 (см. чертеж ДП.604101.300.СБ и рис.2.2.8), оснащенной индуктивным преобразователем модели М-022-03 фирмы “Микромех”.

Автоматизация перемещения измерительной скобы для предотвращения повреждения губок прибора и ориентация скобы по отношению к шлифуемой заготовке обеспечивается пневмоцилиндром 1111-40Ч20 ГОСТ 15608-81.

Рабочий цикл шлифования методом продольной подачи для детали “Вал червячный” осуществляется следующим образом. В начальной фазе цикла двухконтактная скоба 1 и шлифовальная бабка занимают исходное положение: измерительные наконечники скобы находятся в нерабочем положении за счет работы пневмоцилиндра 18, а шлифовальная бабка отведена от детали. После закрепления детали на позиции обработки осуществляется подвод шлифовальной бабки и начинается съем припуска без участия измерительной системы. Благодаря механизму срабатывания пневмоцилиндра и упругим направляющим пружинам 6, скоба 1 плавно перемещается в зону обработки в плоскости шлифовального круга и вместе с ним совершает возвратно-поступательные движения. Постоянство установки скобы по линии центров станка обеспечивается упором 3, закрепленным на штоке пневмоцилиндра 18. По мере износа шлифовального круга происходит некоторое смещение измерительных наконечников прибора, поэтому необходимо предусмотреть периодическую переустановку скобы 1 относительно направляющей 9 (примерно одна переустановка в смену). Это обеспечивается перемещением люльки 9, закрепленной болтами 14.

В процессе обработки шеек вала шток индуктивного преобразователя модели М-022-03 воспринимает перемещение измерительных кареток скобы. Выходной сигнал преобразователя, пропорциональный изменению размера шлифуемого вала, после усиления электронной схемой вторичного электронного устройства LMY-01 преобразуется в аналоговый выходной сигнал устройства обработки и представления данных. Характеристика электронных средств измерений линейных размеров и схема обработки сигнала индуктивного преобразователя представлены в табл. 2.1 и на рис. 2.2.7.

Для контроля деталей с прерывистой поверхностью электрическая схема устройства снабжена пиковым детектором, который в сочетании с элементами электронной памяти пропускает в отсчетно-командную часть устройства сигналы, соответствующие размеру выступов шлифуемой поверхности, и исключает прохождение ложной информации, когда измерительные наконечники попадают в разрывы этой поверхности.

На завершающей стадии цикла шлифования в режиме чистового или доводочного шлифования с детали снимается оставшаяся часть припуска. В момент достижения заданного размера формируется окончательная команда для ускоренного отвода шлифовальной бабки и измерительной скобы на исходную позицию.

Таблица 2.1

Характеристика электронных средств измерений линейных размеров

Рис.2.2.7. Система электронных средств измерений линейных величин

Рис.2.2.8. Конструкция индуктивной двухконтактной измерительной скобы:

1,5 - цилиндрические измерительные наконечники из твердого сплава; 2,3 - измерительные каретки, снабженные направляющими типа ласточкина хвоста; 4,25 - шестерни для наладочных перемещений измерительных ножек, зацепляемые с рейками на плоской поверхности направляющих типа ласточкин хвост; 6,26 - сменные измерительные ножки; 7 - стакан, предохраняющий от повреждений индуктивный преобразователь 23; 8,24 - болты для закрепления измерительных ножек; 9 - микрометрический винт, взаимодействующий с измерительным наконечником индуктивного преобразователя 23; 10,12 - серьга и винтовая пружина, устраняющие зазор в резьбовом сопряжении микрометрического винта; 11,22 - эксцентрики для регулировки измерительного усилия, обеспечиваемого винтовыми пружинами 15 и 19; 13 - кожух, защищающий рабочие элементы скобы от повреждений; 14,20 - плоскопараллельные пружины подвески измерительных кареток; 16,18 - упоры, служащие ограничителями хода измерительных кареток, используемые в качестве базы при настройке скобы; 17 - планка с резьбовыми отверстиями для крепления скобы к подводящему устройству; 21 - клеммный зажим для крепления индуктивного преобразователя 23.

Настройка измерительной системы на определенный размер поверхности для шлифования производится следующим образом.

После установки скобы в позицию измерения вращением микрометрического винта 9 достигают нулевого показания прибора. При помощи шестерни 25 вводят в соприкосновение с образцовой деталью нижний измерительный наконечник 1. Перемещение ножки 26 прекращают, когда измерительный наконечник 1 коснется детали. В таком положении ножку 26 крепят зажимным болтом 24. Далее при помощи шестерни 4 верхнюю ножку 6 перемещают до соприкосновения измерительного наконечника 5 с поверхностью образцовой детали и закрепляют ножку болтом 8. В результате выполненных настроечных операций обе измерительные каретки отрываются от упоров 16 и 18, служащих ограничителями рабочего хода. При этом обеспечиваются условия правильной работы плоскопараллельных пружин 14 и 20 подвески этих кареток.

С помощью микрометрического винта 9 производят предварительную установку нуля. Затем, включив вращение образцовой детали и обеспечив подачу охлаждающей жидкости от системы СОЖ станка, совмещают стрелку с нулевой отметкой шкалы прибора посредством потенциометра и уровень срабатывания окончательной команды. Для ориентировочного отсчета при настройке уровней срабатывания предварительных команд служит шкала, нанесенная возле рукоятки потенциометра. Окончательно правильность настройки команд проверяют по шкале показывающего прибора в момент включения соответствующей лампы визуальной индикации.