В одной из наших прошлых статей мы привели подробные результаты математического моделирования деформации элементов шпинделя станков для обработки седел в зависимости от сил резания и диаметра центрирующего пилота. Нам удалось установить, что станки так называемого "байонетного" типа, имеющие шарнир между шпинделем и резцом, не способны обеспечить высокую жесткость и, соответственно, точность обработки при малых диаметрах пилота и/или седлах, выполненных из твердых материалов. Напротив, станки с жестким креплением резца и пилота на шпинделе, в том числе вся линия станков SERDI, обеспечивают необходимую жесткость и точность обработки седел во всем диапазоне размеров седел, характерных для всех существующих двигателей внутреннего сгорания.
Подробно об этих результатах изложено в нашей статье, где показано, что при наличии боковой силы на держатель инструмента (а она всегда есть при резании) всю нагрузку в байонетной схеме воспринимает пилот, в то время как в жесткой схеме – шпиндель. В итоге, чем меньше диаметр пилота, тем меньше жесткость байонетной схемы, причем при диаметрах меньше 6-7 мм байонет по жесткости уступает схеме SERDI уже в пять раз, а при диаметре 4 мм разница еще больше – в 30 раз.
В целом это свойство байонетной схемы очевидно даже без расчетов, поскольку при появлении боковой нагрузки держатель инструмента, опирающийся с одной стороны на шарнир, а с другой – на пилот, поворачивается в шарнире, деформируя пилот. При этом шпиндель за счет работы шарнира практически не нагружается, чего нельзя сказать о пилоте, который в этой схеме испытывает экстремальные нагрузки и такие же экстремальные деформации – очевидно, чем он тоньше, тем больше будет его деформация (при постоянной нагрузке) и тем сильнее поворот держателя в шарнире.
Напротив, в схеме SERDI жесткость практически не зависит от диаметра пилота, поскольку почти всю боковую нагрузку держит мощный шпиндель, а не тонкий пилот. Поэтому для всех диаметров она превышает жесткость байонетной схемы в разы.
Все ушли на базу?
Большая разница у станков рассматриваемого типа имеется не только в жесткости, но и в особенностях и средствах центрирования (базирования) инструмента перед обработкой седла. Очевидно, обработке седла должна предшествовать точная выверка положения инструмента (резца на держателе) строго по оси направляющей втулки клапана. Иначе, при ошибке в базировании, обработанное седло окажется несоосным со втулкой, а тарелка клапана не ляжет на седло. Поскольку именно так и обстоит дело при использовании ручного инструмента, ошибка в базировании сводит на нет все преимущества станочной обработки перед ручными фрезами и прочими волшебными "крутилками" с рукопашным приводом.
Байонетная схема с "мертвым" (слабоконическим) пилотом, заклинивающим в направляющей втулке, достаточно хорошо базирует инструмент, поскольку в процессе базирования участвует только пилот и держатель с резцом. После этого необходимо соединить шпиндель и держатель, для чего достаточно одной воздушной подушки для всего шпиндельного узла и измерителя угла наклона шпинделя – весьма простая и недорогая конструкция. Однако после соединения шарнира со шпинделем и начала обработки вся точность базирования полностью нивелируется отсутствием жесткости системы, в результате чего невозможно ожидать от этой схемы хорошей точности обработки не только для малых диаметров пилота, но и вообще для всех диаметров при твердых седлах. При этом никак не спасают положение различные модернизации байонета, включая "оживление" пилота с помощью разного рода замков и фиксаторов, поскольку эти способы не устраняют полностью общий порок схемы - наличие шарнира между шпинделем и резцом.
В жесткой схеме в базировании инструмента участвует весь шпиндельный узел с держателем и пилотом, что требует применения нескольких воздушных подушек для исключения трения в системе. При больших диаметрах пилота достаточно плоской подушки рабочего узла и сферической подушки для наклона шпинделя. Для малых диаметров пилота такая схема не дает необходимой точности базирования вследствие того, что тонкий пилот не может точно удержать тяжелый рабочий узел станка, особенно, при неточности выравнивания станины станка по линии горизонта. Поэтому базирование для тонких пилотов (менее 7 мм) требует 3-х воздушных подушек и выполняется в два этапа – сначала грубо при помощи воздушной подушки всего рабочего узла (после чего она фиксируется), а затем точно с помощью плоской и сферической подушек шпинделя (для повышения точности шпиндель облегчается и в него встраивается двигатель, чтобы исключить влияние нагрузки от внешнего привода).
Сложность конструкции жесткой схемы по сравнению с байонетной оправдывается непосредственно при обработке седла – в жесткой схеме обработка седла будет выполнена точно от отверстия втулки, по которому выполнено базирование, независимо от диаметра пилота, степени износа и твердости седла. Напротив, в байонетной схеме все эти параметры могут оказать крайне негативное влияние на результат, вследствие чего обработанное седло окажется таким же несоосным направляющей втулке, каким оно было до ремонта. Но об этом – ниже.
Модель модели – не рознь.
Следует отметить, что полученные нами ранее результаты моделирования работы станков оказались не вполне наглядны для практики, поскольку наше исследование проводилось при одинаковой для обеих схем силе, действующей на держатель инструмента от резца. В действительности сила от резца является переменной по окружности, поскольку на нее оказывает влияние начальная несоосность седла и отверстия направляющей втулки, а также отклонение формы седла от окружности.
В самом деле, указанная несоосность седла весьма характерна для новых направляющих втулок, установленных при ремонте взамен изношенных, а искажение формы седла наблюдается у изношенных двигателей после длительной эксплуатации. В результате при обработке седла усилия резания получаются резко переменными по окружности, особенно в начальный период обработки. И этот факт, как показали наши дальнейшие исследования, оказывает существенное влияние на точность и качество ремонта седел.
Если сила меняется, то должна меняться и величина деформации шпинделя и пилота, причем совершенно по-разному для разных схем. Естественно, сила резания будет изменяться от минимума до максимума, вызывая аналогичную деформацию в системе. А тогда следует ожидать появления несоосности седла и втулки при обработке.
Для того, чтобы учесть влияние переменной по окружности силы резания на деформацию, мы приняли допущение – резец имеет контакт с седлом по всей его окружности. Тогда можно утверждать, что изменение усилия от резца на держатель будет иметь плавный характер, изменяясь от минимума до максимума. Такая ситуация может быть характерна, например, для обработки седла к состоянию "как чисто", однако это еще не будет состоянием окончательно обработанного седла.
Для получения конкретных результатов необходимо задать усилия и закон их изменения по окружности. Мы приняли априори, что сила от резца на держатель меняется от 50 до 150 Н (5-15 кГ) по синусоиде – так проще и наглядней. Все остальные параметры, включая геометрию элементов, были сохранены в точном соответствии с нашим прошлым вычислительным экспериментом. В том числе, "скользящая", но беззазорная посадка пилота в направляющей втулке для жесткой схемы и такая же посадка пилота в держателе для байонетной (другой конец пилота был неподвижно защемлен в направляющей втулке, хотя эти различия в системах непринципиальны для расчета).
Расчет проводился для серии диаметров пилотов 4 – 5,5 – 7 – 10 мм для обеих схем. Напомним, что мы использовали метод конечных элементов и пакет специальных программ для расчета деформации и напряжения системы в каждом ее элементе (всего специальная программа разбивает шпиндель, держатель и пилот на более чем 40 000 мелких кусочков, каждый из которых имеет свои деформацию и напряжение).
Влияние переменной нагрузки на деформацию системы может повлечь за собой появление несоосности обработанного седла и втулки, поэтому результат расчета мы представили именно в виде зависимости несоосности от диаметра пилота. И вот что получилось…
Ох, уж эта несоосность…
Как бы кому ни хотелось, а пресловутая несоосность появилась в строгом соответствии с жесткостью системы. Так, резкое падение жесткости байонетной системы вызывает пропорциональное увеличение отклонения оси обрабатываемого седла от оси направляющей втулки. Если при диаметре пилота 7-8 мм несоосность еще допустима (0,01-0,015 мм), то уже при 6 мм она принимает угрожающий характер (0,03 мм), а при меньших диаметрах просто переходит все разумные пределы. Заметим, что последняя цифра соответствует биению седла относительно отверстия направляющей 0,06 мм, что уже находится за пределами допустимого. И это при амплитуде колебания усилий от резца всего в 10 кГ! Этот результат полностью подтвердил ранее высказанное нами предположение о том, что применение байонетных станков для ремонта ГБЦ современных многоклапанных двигателей нецелесообразно по причине отсутствия точности обработки.
Напротив, в жесткой системе практически не возникает никакой несоосности, если не считать ею 2,5-3 микрона во всем исследованном диапазоне пилотов. Фактически полученный результат означает, что если жесткая система позволяет исправить седло при любых пилотах, то байонетная система способна лишь погладить его, сделав поверхность "красивой", но сохранив значительную часть исходной несоосности.
Этот результат хорошо иллюстрирует еще один известный из практики факт, который некоторыми "специалистами" преподносится как один из главных преимуществ байонета – в нем никогда не возникает вибраций при обработке. А как же им возникнуть, сами подумайте, если резец легко следует за кривым седлом? Не исключаем, что если так "гладить" седло в режиме "выхаживания" (без подачи на врезание) минут 15-20, то несоосность удастся уменьшить, но вряд ли получится устранить ее полностью. Напротив, в жесткой системе исходная несоосность будет устранена на первых же оборотах при резании, и обработка седла займет всего несколько секунд.
Еще одно наблюдение из практики, которое также следует и из нашего вычислительного эксперимента – при малых диаметрах пилота на байонетных станках никак не удается исключить пресловутую притирку из технологического процесса, в противном случае никогда не достигнуть прилегания тарелки клапана к седлу. В то же время на жестких станках притирка клапанов давно стала анахронизмом, поскольку ее применение ничем не оправдано и только ухудшает геометрию седла.
И, наконец, последнее наше наблюдение. Граница допустимого применения "байонеток", согласно нашему эксперименту, лежит вблизи диаметра пилота 7 мм. Жесткие станки SERDI с двойной воздушной подушкой также рекомендуется применять с аналогичным диапазоном пилотов. При этом цены байонетов и жестких станков практически одинаковы. Однако, если байонетный станок имеет при диаметре пилота менее 7 мм недопустимо низкую точность обработки, то станок SERDI обработает с тонким пилотом седло так же жестко, как и с пилотом 10 мм диаметром. Разница будет лишь в точности центрирования шпинделя перед обработкой, где двойная воздушная подушка не обладает высокой чувствительностью. Но если точно контролировать станину станка в горизонте, то преимущество жесткой системы даже в упрощенном "2-подушечном" варианте будет неоспоримым. Недаром станки SERDI остаются и сегодня очень популярными в мире.
