Головні показники якості обробки на верстаті з ЧПК — це точність дотримання розмірів оброблюваних поверхонь та їх геометричної орієнтації, шорсткість і хвилястість поверхні. Нижче розглянемо основні фактори, що на них впливають.

1. Точність верстата, яка визначається точністю геометричних форм і відносного положення опорних поверхонь, що базують заготовку й інструмент, точністю рухів по напрямних робочих органів верстата, точністю лінійного позиціонування робочих органів, точністю переміщень під час кругової інтерполяції, точністю повернення робочих органів у початкове положення, стабільністю виходу робочих органів у задану точку, стабільністю положення інструмента після автоматичної заміни.

2. Точність системи керування зумовлюється відхиленням відпрацьованої траєкторії від заданої; неточністю у передачі руху приводами подач, наприклад у ходових гвинтах, колесах зубчастих передач та ін.; похибкою апроксимації дуги кола прямими відрізками, яка перебуває в межах ціни імпульсу (для сучасних верстатів 0,001-0,002 мм), останнє може спричинити збільшення шорсткості поверхні, не впливаючи на геометричну точність.

3. Похибка установки і закріплення заготовки. Виникає в разі несуміхцення установочних і вимірювальних баз. Для її мінімізації важливо вимірювальну базу обробити з тієї ж установки, що й установочну, розміри якої підлягають контролю. Наприклад, під час контролю поздовжніх розмірів, витримуваних на токарному верстаті з ЧПК від правого торця, бажано почати обробку з його підрізки.

Крім зазначеного, на точність обробки впливають якість базових поверхонь, спосіб і стабільність кріплення заготовки.

4. Похибка настроювання інструмента на розмір, визначається точністю застосовуваного вимірювального приладу і системою закріплення настроєного інструмента.

5. Похибка налагодження верстата на виконувані розміри. Виникає через неможливість розташувати деталь та інструмент точно в розрахованому положенні, від якого відраховуються робочі переміщення. Для зменшення цієї похибки наладчик часто виконує пробні проходи для подальшого корегування координат обробки. Ця похибка виникає також по мірі зношування інструмента, нагрівання і деформації вузлів верстата. Для її зменшення наладчик періодично може виконувати так звану підналадку, вносячи корекцію в положення інструмента й деталі. Знаючи інтенсивність цих процесів, досвідчений наладчик чи оператор періодично вносить потрібну корекцію або передбачає ΰ в тексті програми через певні проміжки часу або визначену кількість деталей.

6. Похибка виготовлення мірного інструменту. Такі інструменти, як свердла, шпонкові фрези, розвертки тощо, можуть давати погрішність обробки як через неточність діаметра, так і внаслідок їх биття при закріпленні в допоміжному інструменті.

У разі точної токарної обробки (чистові операції) слід враховувати радіус на вершині різця корекціями, в окремих випадках проводити його вимірювання в лабораторних умовах, розраховувати еквідистанту.

7. Жорсткість системи верстат — пристосування — інструмент — деталь. Жорсткість пружної системи — це її спроможність чинити опір діючим силам закріплення, різання та ін. — що більші сили різання, то більше навантаження на систему, то вище значення виниклих погрішностей. Для їх зниження зменшують припуск на один прохід (глибину різання). Повторювану частину похибок можна

компенсувати через корекції. Залишаються некомпенсова-ними ті, що викликані коливанням припуску заготовки, її твердості й ін. Верстати з ЧПК, порівняно з їх універсальними аналогами, жорсткіші на 40-50 %. Це зменшує вказані погрішності, хоча і не усуває їх остаточно.

8. Теплові деформації вузлів верстата й деформації від внутрішніх напружень деталі. Теплові деформації інтенсивно впливають на заготовку на початку обробки, поки рухомі вузли верстата не прогрілися до якогось стабільного значення. Для мінімізації їх впливу потрібно верстат перед початком оброблення прогріти роботою на холостому ходу.

Теплові деформації заготовки під час обробки зменшують подачею в зону різання ЗОР. Знімаючи шари металу із заготовки, вивільняють її внутрішні напруження різного походження (спосіб отримання, додаткова термічна обробка, особливо гартуванням, тощо). Що більший об’єм металу знімається, то більше цих напружень вивільняється і збільшуються відхилення форми деталі після обробки. Зменшити вплив цього явища можна розділенням обробки на чорнову і чистову операції, між якими провести термічне старіння деталі.

Чимало із зазначених похибок мають систематичний характер, їх можна усунути або звести до мінімуму в ході налагодження верстата (див. параграфи 2.4 і 3.2) корекціями на траєкторію руху інструмента.

Під час обробки виникають пружні, температурні деформації, тертя, коливання, які спричиняють зміни розмірів і відносні повороти поверхонь. Це призводить до відхилення положення баз верстата та відхилення від заданої точності руху інструмента. Зазначені процеси нестабільні, тому зумовлені ними похибки мають розсіювальний характер і врахувати їх математично неможливо.

Завдання усунення цих похибок найкраще виконують системи адаптивного зв’язку (див. параграф 1.3). Під час процесу різання за допомогою датчиків силових параметрів (сили або моменту різання), датчиків температури, деформацій, вібрацій, зміщень тощо вимірюють параметри настроювання для забезпечення їх корекції. Керування точністю обробки здійснюється через датчики зворотного зв’язку приводами подач.

Система керування, яка працює на основі спільного використання інформації, що задається, та інформації зво

ротного зв’язку, називається замкненою системою керування.

За даними сучасної статистики, точність і стабільність обробки на такому верстаті ЧПК порівняно з його універсальним аналогом на 20-25 % вища.

Наявність системи зворотного зв’язку ускладнює та здорожує верстат з ЧПК, хоча не завжди вирішує поставлене завдання точності обробки остаточно.

Контрольно-вимірювальні системи (КВС). Для подальшого підвищення точності і стабільності обробки на верстатах з ЧПК в сучасній металообробці застосовують спеціальні контрольно-вимірювальні системи, принцип дії яких базується на обході контрольованої деталі в робочій позиції на верстаті спеціальним щупом-датчиком (контактним або безконтактним), за результатами сигналів якого створюється геометричний образ вимірюваної поверхні. КВС порівнює цю геометрію з даними, введеними в пристрій ЧПК керуючою програмою, або даними креслення, імпортованого з CAD-системи, і видає файл з результатами вимірювання та, за потреби, команду на введення корекцій. Система особливо ефективна для вимірювання й контролю закріплених на верстаті габаритних деталей великої ваги, зрушення з місця яких для вимірювання небажане, бо потім, за необхідності дообробки, розмістити важку деталь на верстаті абсолютно так само і в тому самому місці практично неможливо. Наприклад, якщо контроль показав, що до остаточного розміру залишився зовсім незначний шар металу, співмірний із точністю повторної установки на верстаті, виникає реальна небезпека браку.

Для контролю таких деталей у робочій позиції на верстаті створено спеціальні переносні координатно-вимірювальні машини (КВМ) [6], виконані у вигляді маніпулятора. Машина складається з плити, яка може через магніти кріпитися в довільній точці верстата до його металевої частини, і кількох з’єднаних між собою шарнірних колін (конструкція нагадує будову людської руки). В кожному шарнірі є датчик контролю кутових переміщень, який відстежує поворот коліна, в результаті цього програмне забезпечення прораховує координати вершини відкаліброваного щупа, що контактує з точками оброблюваної поверхні в заданій системі координат і фіксує їх у файлі вимірювальної програми комп’ютера. Це можуть бути або абсолютні значен

ня вимірювання, або відхилення вимірюваного розміру від його значення в кресленні. Залежно від кількості колін КВМ може бути з шістьма або сімома ступенями свободи. Робоча зона такої КВМ — сфера діаметром, залежно від моделі, 1,2; 1,8; 2,4; 3,0; 3,7 метра (вказано для КВМ FARO). Завдяки шарнірним з’єднанням щуп може легко попасти практично в кожну точку всередині сфери, тому всі розміри, що підлягають контролю (вимірюванню), можна опрацювати одним прибором — КВМ. Результати вимірювань можна отримати текстовим файлом або у графічному вигляді. Точність контролю такою КВМ, наприклад FARO — ±0,016 мм, стабільність — ±0,006 мм. Довжина вимірювання при цьому 1,2-нЗ,6 м. Машина стійка до вібрацій та ударів, має перезарядив безперебійне джерело живлення «FARO Powerhouse» (працює 8 годин без під зарядки). Це дозволяє використовувати її в жорстких умовах механічного цеху.

Існують також спеціальні програми контролю та вимірювання деталі на робочому місці верстата з ЧПК (ADEM-VX, PowerINSPECT OMV (від англ. On-Machine Verification — перевірка на верстаті) та ін., для роботи яких верстат оснащується спеціальною вимірювальною головкою. Розташовується вона, як і звичайний різальний інструмент, у гнізді інструментального магазину оброблювального центру чи револьверній головці токарного верстата. Для роботи так само установлюється в шпінделі ОЦ чи індексується в револьверній головці токарного верстата. Пристрій ЧПК такого верстата повинен забезпечити набір стандартних і спеціальних циклів вимірювання. Прості вимірювання програмує та виконує з пристрою ЧПК оператор.

Наприклад, для вимірювання (контролю) відстані між осями паза й отвору на рис. 2.35 оператору необхідно запрограмувати і виконати такі дії:

1) використати цикл вимірювання паза, виміряти і записати координату XI його осі;

2) використати цикл вимірювання отвору, виміряти і записати координату Х2 його центру;

3) знайти значення відстані А простим відніманням: А = XI - Х2.

Такий контроль оператор виконує періодично, через установлений проміжок часу чи кількість деталей, використовуючи для цього кадр керуючої програми з позначкою «/».

Для деталей, де елементи вимірювання розташовані в різних площинах, поверхні складні за формою, їх багато, процес програмування вимірювань значно ускладнюється. Розробку програми контролю (вимірювання) такої деталі виконує вже кваліфікований технолог-програміст в одній із призначених для цього комп’ютерних програм, використовуючи креслення, імпортовані з CAD-системи, або створює їх самостійно в даній програмі.

Вимірювання та контроль можна виконувати як після повної обробки деталі, так і в довільному місці процесу обробки за керуючою програмою. Результат контролю (вимірювання) виводиться у спеціальний файл-звіт — текстовий або графічний.

Такі програми ефективно застосовуються для корегування або встановлення системи відліку деталі (початку координат). Найчастіше це відбувається за потреби дооб-робки деталі після вимірювання на стаціонарній КВМ, а також під час обробки деталей, що не мають установлених базових елементів, наприклад лопатки турбін, компресорних коліс, криволінійні тонкостінні деталі з аеродинамічним профілем, масивні деталі, які важко розташувати на столі верстата. Вимірявши таку деталь, КВС (наприклад, PowerINSPECT OMV) може визначити, наскільки місце її розташування і кут повороту не збігаються з передбаченими керуючою програмою. За отриманими даними корегують або положення системи координат деталі через пристрій ЧПК, або елементи наладки (див. рис. 2.36, а).

На рис. 2.36 наведено приклади визначення точки початку відліку (системи координат деталі), що зустрічаються найчастіше, за допомогою КВС і контактного датчика:

а) за програмою КВС щупом контактного датчика через координати точок 1 і 2 визначається кут нахилу базової сторони деталі а. Його компенсацію можна виконати поворотом системи координат деталі (ΧΎ') або, якщо дозволяє обладнання, поворотом стола (ОЦ 2204ВМФ4);

б) за допомогою щупа контактного датчика знімаються координати точок 1, 2, 3, 4. По них КВС визначає в координатній системі верстата координати вершини зовнішнього кута прямокутної деталі або ΰ елемента (виступ, вибірка),

де призначено початок системи координат деталі під час розробки керуючої програми;

в) по координатах точок 1, 2, 3, 4, отриманих за допомогою щупа, КВС розраховує координати центру прямокутної деталі в системі координат верстата, прийняті за початок координат деталі під час розробки програми;

г) по координатах точок 1, 2, 3, 4, отриманих за допомогою щупа, КВС розраховує координати центру кола, що описує зовнішню чи внутрішню оброблювану поверхню, які прийняті за початок відліку під час розробки керуючої програми. Методику визначення координат універсальними засобами розглянуто в параграфі 2.4;

д) по координатах осей трьох (1, 3, 5) із шести отворів, що визначені за допомогою щупа вимірювальної головки, КВС розраховує координати центру кола, на якому отвори розташовані. Під час розробки керуючої програми даний центр прийнято за початок відліку.

Розглянуті методи визначення початку координат деталі називають програмним базуванням — положення деталі відносно базових точок верстата визначається не установочними елементами пристрою, а результатами вимірювання за програмою.

Метод можна використовувати також для вимірювання заготовки перед обробкою, з подальшим корегуванням початку відліку для найбільш сприятливого розподілу припуску, що зніматиметься на операції. Це робить процес обробки гнучкішим, дає можливість оператору, технологу і наладчику втручатися в обробку, поліпшуючи хід процесу в потрібному напрямі, що особливо актуально під час оброблювання відливок складної форми.

Для високоточного оброблення деталей на токарних верстатах з ЧПК використовують активний контроль поверхні під час знімання припуску за допомогою контактних або безконтактних датчиків. Найбільш поширеною є схема, де один з датчиків (вимірювальна головка інструмента), встановлений на передній бабці верстата, контролює положення різальної крайки інструмента, закріпленого в револьверній головці. Другий (вимірювальна головка деталі), встановлений у гнізді револьверної головки, контролює розмір і шорсткість оброблюваної поверхні. У разі виходу вершини різця за межі поля допуску або погіршення шорсткості поверхні датчики подають сигнал у пристрій ЧПК на зміну в керуючій програмі відповідної координати і режиму різання або зупиняють обробку для ручного вводу корекції.

Це матеріал з підручника "Основи обробки та програмування на верстатах з числовим програмним керуванням" Онофрейчук 2019