ЧПУ-обработка (Числовое Программное Управление) — это использование компьютерного программирования и электромеханических устройств для автоматизации обработки металлических (а также неметаллических) деталей по заданным параметрам. ЧПУ-станок выполняет все операции над заготовкой согласно программе, чтобы получить конечный продукт.
Хотя услуги ЧПУ-обработки отличаются высокой точностью по отношению к размерам изделия, абсолютной точности достичь невозможно. Даже детали, изготовленные на одном и том же ЧПУ-станке по одной и той же технологии, будут отличаться по размерам на небольшую величину. Создать абсолютно идентичные детали с одинаковыми размерами невозможно, независимо от выбранного оборудования.
Эти различия в конечных размерах между деталями компенсируются установлением стандартного предела допуска. Допуск определяет максимально допустимое отклонение между соответствующими размерами двух деталей.
Для ЧПУ-обработки стандартный допуск обычно составляет +/-0,005” (0,127 мм). Для сравнения: толщина человеческого волоса составляет 0,002” (0,05 мм).
Стандартный допуск — очень небольшая величина, и в большинстве случаев столь незначительное отличие между деталями, выполняющими одну функцию, не имеет значения. В тех же случаях, когда малейшие отклонения могут повлиять на работу детали, возможно ужесточение допусков.
Инженерные допуски — обязательное требование при определении размеров изделия. Если заказчик не указывает конкретных допусков, детали обычно изготавливаются согласно общепринятому классу допуска.
Поэтому в интересах конструктора заранее определить допуски для соответствующих характеристик перед передачей деталей на ЧПУ-обработку. Это обеспечивает удовлетворение требований заказчика и снижает издержки на переналадку в ЧПУ-цехе в случае несоответствия.
Под соответствующими характеристиками подразумевается, что нет необходимости задавать допуск для каждого размера детали. Наоборот, излишние требования к каждому параметру приведут к значительному удорожанию изделия.
Обычно допуски задаются только для тех элементов, которые сопрягаются с другими деталями. Это гарантирует правильную посадку компонентов в сборке и их корректную работу.
Существуют различные типы допусков, применяемых к обработанным деталям:
Общие допуски могут задаваться для линейных или угловых размеров, а также для фасок или радиусных элементов. Они делятся на четыре класса в зависимости от диапазона допуска: очень грубый (v), грубый (c), средний (m), и точный (f).
Диапазон каждого класса для определенного интервала размеров определяется международными стандартами (EN 20286, JIS B 0401, ISO 286, ISO 1829, ISO 2768, ANSI B4.1, ANSI B4.2).
Предельный допуск выражается как минимально и максимально допустимое значение размера. Соответствующий размер изготовленной детали должен находиться между этими пределами для использования в сборке.
Например, если предельный допуск для размера составляет 12…12,5 мм, то фактическое значение должно быть в этом диапазоне.
При одностороннем допуске отклонения допускаются только в одну сторону от номинального значения. То есть, разрешено отклонение лишь в одном направлении.
Рассмотрим вал диаметром 70 мм, который должен войти в отверстие такого же размера. Если диаметр вала превысит 70 мм хотя бы на малую величину, он не войдет в отверстие.
Таким образом, нельзя использовать валы с диаметром больше 70 мм, что приведет к увеличению брака и времени производства.
Чтобы избежать этого, применяют односторонние допуски. Если максимально допустимое отклонение составляет 0,05 мм, диапазон допуска устанавливают как 70 +0,00 /-0,05 мм. Это означает, что разрешенные значения диаметра — от 70,00 мм до 69,95 мм.
Преимущество одностороннего допуска — простота контроля. Поскольку верхнее значение фиксировано, можно стандартизировать калибр типа «проходит» для ускорения и упрощения проверки.
При двустороннем допуске фактические размеры детали могут отклоняться в обе стороны от номинального значения или истинного профиля. Например, двусторонний допуск 30 +0,05/-0,05 мм означает, что минимальное и максимальное значения составляют 29,95 мм и 30,05 мм при номинале 30 мм.
Геометрические размеры и допуски (GD&T) — это следующий уровень по сравнению с обычными допусками. Помимо контроля конечного значения размера, GD&T определяет дополнительные характеристики, такие как соосность, плоскостность и истинное положение.
Финальный размер должен соответствовать этим характеристикам для прохождения контроля.
Хотя другие типы допусков широко распространены, GD&T особенно актуален для ЧПУ-обработки. Такие детали часто предъявляют высокие требования, и GD&T позволяет обеспечить точность различных характеристик.
Понимая, зачем нужны допуски и их разновидности, рассмотрим, почему важно правильно выбирать их значения. Соответствующий допуск гарантирует безупречную работу детали без неоправданного роста стоимости.
Однако излишне жесткие допуски имеют ряд недостатков.
Рассмотрим, что следует учитывать при выборе допусков.
По ряду причин стремление к более жестким допускам значительно увеличивает стоимость обработки и время производства. Более узкие допуски требуют больше времени и труда.
Также возрастает вероятность выхода детали за пределы допуска и выбраковки. Для достижения таких ограничений требуются специальные приспособления и оснастка. Кроме того, для контроля очень жестких допусков необходимы специальные измерительные инструменты.
Установленные проектировщиком допуски определяют, какие технологии наиболее подходят для их достижения. Чем точнее допуск, тем меньше станков смогут удовлетворить этим требованиям, так как различаются по точности.
Может потребоваться дополнительная обработка, например шлифование или доводка, чтобы достичь необходимого допуска. Однако, например, швейцарская обработка позволяет изготавливать прецизионные детали с очень малыми допусками без необходимости в дополнительном финишировании, что экономически оправдано при больших объемах.
Выбор материала определяет возможность достижения определенного диапазона допусков. Свойства материала могут значительно влиять на конечные значения.
Мягкие заготовки сложно закрепить, так как они деформируются при контакте с режущим инструментом.
С другой стороны, абразивные материалы быстро изнашивают инструмент, затрудняя достижение необходимого размера. Примеры таких материалов: фенопласты GP 11, GP 03 или стеклотекстолиты.
Трение и нагрев в процессе резки могут вызвать деформацию некоторых материалов (например, пластиковых деталей). Поэтому определенные материалы могут быть несовместимы с выбранной технологией при попытке достичь жестких допусков.
Чем жестче допуск, тем сложнее и дольше его контролировать. Для этого требуются более точные измерительные приборы и методы контроля, что увеличивает стоимость производства.
Например, следы вибрации (риски) могут появиться при обработке. Их можно увидеть визуально, но для определения длины и глубины этих следов потребуется современное оборудование. Такие дефекты (особенно при жестких допусках) могут вызывать шум и вибрацию в сборке.
Токарная и фрезерная ЧПУ-обработка известны своим высоким качеством и точностью. Однако инженерам необходимо учитывать ряд ключевых аспектов при выборе требований и избегать чрезмерных ограничений.
Знание свойств материалов и учет условий эксплуатации проекта помогают принимать обоснованные решения.
