Размерные цепи в сварных несущих конструкциях станков

Станина станка представляет собой цепь допусков, и то, что действительно важно заказчику (перпендикулярен ли шпиндель столу, лежат ли направляющие в одной плоскости, параллельна ли шарико-винтовая пара направляющей), находится в конце этой цепи. Каждое звено вносит свой вклад, но вклады неравны.

Большинство станин с завышенными требованиями появляются из-за размерной цепи, которую никто не анализировал. Конструктор сомневался, ужесточил всё подряд и заплатил за точность звеньев, которые почти ничего не вносили.

Где находятся звенья в сварной конструкции

Размерная цепь сварного основания станка выглядит примерно так:

1. Неплоскостность и разнотолщинность листа в состоянии поставки с завода
2. Точность резки: положение контура и перпендикулярность при плазменной, лазерной резке или резке пилой
3. Сборка под сварку: зазоры, смещения и перпендикулярность при сборке до сварки
4. Сварочная усадка и деформация: самый крупный и наименее предсказуемый вклад
5. Релаксация при снятии напряжений: смещения во время и после термического цикла
6. Установка для механообработки: как деталь опиралась и выверялась
7. Точность механообработки: собственные погрешности позиционирования и геометрии станка
8. Неопределённость измерений: сам процесс контроля
9. Сборка: затяжка болтов, установка прокладок и фундамент, на котором стоит станок

Важный структурный факт состоит в том, что звенья с 1 по 5 обычно устраняются звеном 7 для любого обрабатываемого элемента. Обработка поверхности заново задаёт её положение относительно баз, и допуски изготовления на предыдущих этапах перестают иметь значение для этого элемента, при условии, что припуск сохранился.

В этом главный вывод для сварной конструкции: допуски на необработанные элементы и допуски на обработанные элементы живут в разных цепях. Смешивание их в одном расчёте даёт бессмыслицу и обычно приводит к чертежу, где задана точность на кромку листа, на которую ничто не ссылается.

Максимум-минимум, вероятностный метод и что выбрать

Расчёт на максимум-минимум (арифметический) складывает крайние значения всех составляющих. Если у шести элементов по ±0,1 мм, метод максимума-минимума даёт ±0,6 мм. Он гарантированно консервативен и сильно завышает требования на цепях длиннее примерно трёх звеньев, потому что вероятность того, что все составляющие одновременно окажутся на своём пределе в одну сторону, ничтожна.

Вероятностный метод (RSS) берёт корень из суммы квадратов. Те же шесть элементов дают около ±0,245 мм, то есть меньше половины. Он предполагает, что составляющие независимы и распределены примерно нормально, что разумно для погрешностей механообработки и неразумно для сварочной деформации, у которой сильная направленная составляющая.

Практический подход для станины станка:

• Используйте максимум-минимум для коротких цепей, для зазоров, критичных для безопасности, и для всего, где одна деталь вне допуска делает сборку невозможной.
• Используйте вероятностный метод для длинных цепей независимых погрешностей механообработки, если у Вас есть реальные данные о процессе.
• Не применяйте вслепую ни один из них к сварочной деформации. Деформация не является случайной величиной с нулевым средним: заданная последовательность сварки тянет заданную конструкцию в предсказуемом направлении. Рассматривайте её как систематическое смещение, которое нужно устранить конструктивно, а не как допуск, который нужно суммировать. Рычаги описаны в статье контроль деформаций крупных сварных конструкций (на английском).

Вопрос припуска, реальная размерная цепь сварной конструкции

Для сварной и обработанной станины чаще всего подводит размерная цепь, которая вообще не является геометрической. Вопрос в том, хватит ли материала для обработки.

Цепь такова: допуск на толщину листа плюс погрешность резки плюс смещение при сборке плюс сварочная деформация плюс смещение при снятии напряжений против заданного Вами припуска на обработку. Если сумма где-либо на поверхности превышает припуск, фрезе не хватает материала, и деталь идёт в брак.

Припуск три миллиметра является распространённым значением по умолчанию для станин средних размеров и достаточен для сварной конструкции с грамотной последовательностью сварки. Он недостаточен для длинного, слабо закреплённого элемента, сваренного с одной стороны, где прогиб в четыре-пять миллиметров вполне реален.

Стоит сделать это явно: оцените ожидаемую деформацию для конкретной геометрии, прибавьте допуски изготовления и проверьте, что припуск покрывает сумму с запасом. Если оценка вызывает беспокойство, либо увеличьте припуск (это недорого), либо исправьте последовательность сварки, что ещё дешевле.

Как разумно распределить бюджет допусков

При функциональном требовании в конце цепи, например копланарности направляющих 0,05 мм на 3 метрах, вопрос в том, как его распределить.

Три принципа:

Тратьте там, где чувствительность выше всего. Не каждая составляющая одинаково влияет на результат. Небольшая угловая погрешность у основания высокой стойки даёт большое смещение наверху; та же погрешность наверху почти ничего не даёт. Найдите звенья с большим плечом и ужесточите их; остальные ослабьте.

Обрабатывайте связанные между собой элементы за один установ. Две площадки, обработанные за один установ на одном станке, лежат в одной плоскости с точностью этого станка на данном расстоянии. Те же две площадки, обработанные в разных установах, наследуют полную погрешность переустановки. Это самое эффективное решение по бюджету допусков, доступное для станины станка, и это конструкторское решение об ориентации элементов, а не решение о спецификации.

Задавайте копланарность, а не плоскостность и положение каждой поверхности отдельно. Контроль группы площадок как копланарной выражает то, что нужно станку, и даёт предприятию свободу достичь результата так, как удобно его оборудованию. Контроль высоты каждой площадки по отдельности переопределяет задачу и стоит дороже при худшем функциональном результате. Набор требований описан в статье GD&T и система баз в сварных конструкциях (на английском).

Регулировка как стратегия допусков

Другой способ замкнуть размерную цепь заключается в том, чтобы заложить регулировку в конструкцию.

Прокладки под посадочными местами направляющих, отжимные винты, эксцентриковые крепления, регулируемые опоры и фундамент с подливкой поглощают накопленную погрешность при сборке. Станине, которую выставляют прокладками при монтаже, не нужно обрабатываться до той же точности, а на крупной конструкции прокладка несравнимо дешевле механообработки.

Именно поэтому у многих очень крупных станков на сварной конструкции умеренные допуски, а жёсткие допуски заданы только на элементы, которые нельзя отрегулировать. Здесь применим общий принцип функционального анализа в духе ASME Y14.5 (на английском): контролируйте то, что нельзя отрегулировать, и регулируйте то, что не нужно контролировать.

Это обмен трудозатрат на монтаже на стоимость изготовления. Для одного станка обычно выигрывает регулировка. Для пятидесяти обычно выигрывает точность обработки, которая экономит час выверки на каждой единице.

Рабочая последовательность

1. Запишите функциональное требование в конце цепи в виде числа.
2. Перечислите составляющие, разделив цепь механообработки и цепь изготовления сварной конструкции.
3. Оцените чувствительность результата к каждой составляющей.
4. Отдельно проверьте припуск на обработку по цепи изготовления.
5. Ужесточите две-три главные составляющие; для всего остального задайте общий допуск, например класс B по ISO 13920.
6. Спросите себя, что можно отрегулировать при сборке вместо того, чтобы контролировать при изготовлении.
7. Убедитесь, что метод контроля действительно позволяет измерить итоговое требование.

На седьмом шаге отсеивается удивительно много чертежей. Требование копланарности 0,03 мм на четырёх метрах бессмысленно, если никто в цепочке не может его измерить: неопределённость измерений поглощает допуск. Вопрос контроля рассмотрен в статье контроль первого изделия для крупных сварных конструкций (на английском).

Если Вы хотите проверить чертёж станины на реалистичность припусков и допусков до отправки на расчёт цены, пришлите его: заключение приходит в течение 24 рабочих часов.