РОЗДІЛ 2
МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ ПРОЦЕСУ ОТРИМАННЯ ВИСОКОЇ ТОЧНОСТІ
Використання робочого інструменту у якості вимірювального має багато переваг у порівнянні з звичайним технологічним процесом вимірювання у металообробці. Фрезерний інструмент (фреза) як формотворчий об'єкт має кінцеву точність виконання. Основною проблемою тут є те, що було згадано у підрозділі пп. 1.2.4. Будь який фрезерний верстат або обробляючий центр має специфічні координатні похибки у розташуванні своїх робочих поверхонь [2, 15, 20, 33]. Але розглядаючи наукові роботи [14,18, 60] та їх висновки необхідно зауважити що основна увага у цих роботах зосереджена на похибках виконання механіки рушійних систем та похибок зв'язаних з межами можливої точності виконання окремих вузлів та агрегатів верстата. Все це призводить до того що існує просторове поле похибок верстата котре може бути запрограмоване у пам'яті системи CNC. Але наявність точності виконання остаточних розмірів інструменту та можливостей зносу робочих поверхонь верстату зовсім не враховано. Окрім того існують проблеми зв'язані з самою поверхнею деталі як такою, тобто реальний розмір поверхні являє собою комплексну координату з різних її спотворень та наслідків металообробки. Звідсіля випливають наступні технологічні проблеми визначення координати торкання тіла деталі робочим інструментом, які розглядаються у цьому розділі:
- поверхня технологічного об'єкту як предмет торкання інструменту до його поверхні;
- фрезерний інструмент як вимірювальний у технологічному процесі фрезерування;
- технологія торкання інструменту до поверхні деталі та фактори впливу на якість цього процесу.
2.1. Фізико-технологічні ознаки поверхні торкання
Як було вказано у роботі [12] існує межа технологічної точності виконання деталей незалежно від точності виконання технологічного обладнання, яка вказує на те що основним чинником цієї проблеми є нестабільність координати поверхні деталі у часі та просторі . Так наприклад у роботі [22] доводиться, що така межа коливається у межах 3-4 мкм для верстатів з точністю позиціювання в 1 мкм. Але ця робота виконана на верстатах, яких виготовлено у 80-х роках. Тут необхідно визначити той факт, що верстати які вироблялися у 80-х роках мали дещо іншу систему контролю координат, ніж зараз. Тим не менш навіть за тої недосконалої системи реєстрації координати визначалася можлива точність отримання координати торкання інструменту з деталлю і, як наслідок, вище означеної точності. Введення нових систем контролю координати (лазерної, тощо) [17, 61, 62] дозволяє у значній мірі знизити похибки координації руху інструменту у просторі механічної обробки. Попри всі сучасні досконалі технічні вирішення задач стосовно координатного розташування основної координати шпинделя інструменту існує проблема поверхні технологічного об'єкту, котрого повинен торкнутися інструмент. У загальному випадку поверхня деталі має розшарування стосовно технологічного процесу (Рис. 2.1). Наявність таких нашарувань є наслідком впливу технологічних процесів на виготовлення як заготовки так і деталі. Тут існує два джерела впливу на розмір поверхні. Це по-перше геометричні спотворення придбані за технологічним процесом виготовлення, які мають виключно механічне походження. По-друге це хімічне спотворення поверхні металу, котре є наслідком взаємодії матеріалу деталі з навколишнім середовищем (повітря > кисень, азот) і фактично ніколи не припиняються, хіба що коли були застосовані спеціальні способи захисту. Цей безперервний хімічний процес є найбільш вагомий з впливом на невизначеність координати поверхні, оскільки є плинний у часі. Обидва наведені джерела створюють комплексний вплив на реальні розміри заготовки та деталі через глибинні поверхневі спотворення.
Глибина подібних спотворень поверхні має в першу чергу значний механічний характер, тобто, мушлі, шліри, тріщини різної глибини, тощо. З цієї низки проблем необхідно визначити два особливо впливових чинника, котрі впливають на невизначеність координати поверхні деталі - це геометричні деформації та шорсткість поверхні, які займають здебільшого переважну вагу у визначенні координати торкання поверхні деталі.
Зовнішня поверхня будь-якої деталі являє собою так звану крицю, тобто шар окислу який є продуктом хімічної реакції матеріалу деталі з киснем атмосфери. Звичайно у технологічних процесах подібні нашарування мають у своєму складі не тільки продукти хімічної реакції з киснем повітря, але і продукти хімічних з'єднань отриманих як наслідок попередніх технологічних процесів, як наприклад литва, котре має ваду дифузії силікатних з'єднань у технологічний розплав (Рис. 2.2).
На фрезерних верстатах та ОЦ у переважній більшості обробляють корпусні деталі. Такі деталі за попереднім технологічним процесом здебільшого мають литво за різними технологічними процесами. Загальна хиба ливарного виробництва це усадка технологічного матеріалу при тужавінні та малоякісна поверхня. За тужавіння технологічний матеріал має значні геометричні спотворення, які можуть сягати міліметрів навіть за надточного лиття. Вплив цього фактору на координату поверхні негативний, тому що всі геометричні розміри зменшуються у відповідній системі координат. Попри цей негативний вплив шорсткість поверхні завжди має позитивний вплив, оскільки у процесі торкання інструменту до деталі координата оцінюється по верхівках окремих елементів шорсткості поверхні [49, 53, 63, 64, 65].
При входженні інструменту у торкання з технологічною поверхнею він у першу чергу буде торкатися верхівок шорсткої поверхні. За такого процесу сигнал який надходить з системи буде мати або статичний або переривчастий характер. Статичний характер сигнал буде мати у випадку відсутності обертання різального інструменту, але при цьому вірогідність влучання точки з максимальною координатою інструменту (у системі координат інструменту) у найбільш високу верхівку на шорсткій поверхні деталі занадто мала. При цьому похибка визначення координати стан