Автоматизированная система расчета припуска на механическую обработку деталей

 
 
 
 
 
 
Н. В. Бондаренко, М. В. Соколов 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА РАСЧЕТА ПРИПУСКА  
НА МЕХАНИЧЕСКУЮ ОБРАБОТКУ ДЕТАЛЕЙ 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
 
 
1 

Рекомендовано Научно-техническим советом 
ФГБОУ ВО «Тамбовский государственных 
технический университет» 
УДК 621.91.01 
ББК 34.5 
Б81 
 
 
 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Материалы и технология» 
Тамбовского государственного технического университета 
Мордасов Денис Михайлович; 
зам. начальника производства АО «Тамбовский завод “РЕВТРУД”» 
Долотов Виктор Иванович 
 
 
 
 
 
 
 
 
Бондаренко, Н. В. 
Б81  
Автоматизированная система расчета припуска на механическую обработку деталей : монография / Н. В. Бондаренко, М. В. Соколов. – Москва 
; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 132 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1674-0 
 
Рассмотрены основные этапы проведения расчетов припусков для обработки деталей, показана их основная роль в обработке материалов. Представлен обзор на теоретическую составляющую расчетов и выявлены ошибки в формулах, представлены новые формулы. С использованием языка программирования Python выполнена разработка программы для расчета минимального, номинального и максимального припуска для различных фрезерных и токарных операций. Разработан отдельный модуль, отвечающий за выполнение расчетов с учетом заданных 
параметров заготовки и детали. Разработан план по дальнейшему совершенствованию программы с использованием передовых достижений в области искусственного интеллекта. 
Для специалистов, магистрантов и студентов старших курсов по направлениям бакалавриата 15.03.05, 15.03.01 и магистратуры 15.04.05, 15.04.01 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» (профиль «Технология машиностроения») и «Машиностроение» (профиль «Цифровое машиностроение»), соответственно. 
 
УДК 621.91.01 
ББК 34.5 
 
 
ISBN 978-5-9729-1674-0 
© Бондаренко Н. В., Соколов М. В., 2024 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
2 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ  ............................................................................................................... 4 
1. ПРИПУСК И МЕТОДЫ ЕГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ................................................ 5 
1.1. Общие сведения о припуске  на механическую обработку  ........................ 5 
1.2. Теоретический расчет припуска на механическую обработку 
.................... 7 
2. ВОЗМОЖНОСТИ АВТОМАТИЗАЦИИ РАСЧȬТОВ ПРИПУСКА  
НА МЕХАНИЧЕСКУЮ ОБРАБОТКУ 
................................................................. 15 
2.1. Выбор языка программирования .................................................................. 15 
2.1.1. Язык программирования С++ .................................................................. 15 
2.1.2. Язык программирования С# 
..................................................................... 16 
2.1.3. Язык программирования JavaScript 
......................................................... 17 
2.1.4. Python 
.......................................................................................................... 18 
2.2. Разработка алгоритма расчёта припуска на механическую 
обработку 
................................................................................................................ 21 
3. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММЫ ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО  
РАСЧЕТА ПРИПУСКА НА МЕХАНИЧЕСКУЮ ОБРАБОТКУ ...................... 23 
3.1. Разработка программы расчёта припуска на механическую 
обработку деталей для  среды  программирования Python  
.............................. 23 
3.2. Проверка работоспособности программы расчёта припуска  
на механическую обработку  
................................................................................ 56 
3.3. Модернизация программы расчёта припуска на механическую  
обработку 
................................................................................................................ 68 
3.4. Разработка модуля  программы расчёта припуска на механическую 
обработку  
................................................................................................................. 86 
4. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ПРОГРАММЫ РАСЧȬТА ПРИПУСКА  
НА МЕХАНИЧЕСКУЮ ОБРАБОТКУ 
................................................................. 96 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................................... 99 
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 
............................................ 100 
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Код программы для расчета припусков, запрос 
исходных данных у пользователя 
........................................................................ 102 
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Фрагмент кода для определения квалитета детали  
и назначение межоперационных предельных отклонений 
............................... 104 
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Фрагмент кода, определяющий шероховатость  
и глубину дефектного слоя заготовки 
................................................................. 117 
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Фрагмент кода для расчета припусков............................... 123 
 
3 

ВВЕДЕНИЕ 
 
За последние полвека машиностроение сделало огромный скачок в развитии. Развитие электротехники и компьютерных технологий позволило создать 
станки с числовым программным управлением (ЧПУ), которые могли выполнять 
обработку в нескольких плоскостях. Использование конвейера на сборочных линиях в разы увеличило скорость сборки готовых изделий. Наконец, появились 
манипуляторы и промышленные роботы, которые смогли заменить человека на 
многих рабочих местах. Появились и специальные программы для автоматизированного проектирования, позволяющие создавать 3D-модели деталей и разрабатывать технологические процессы их изготовления. Именно поэтому к слову 
«машиностроение» все чаще добавляют приставку «цифровое». Для цифрового 
машиностроения характерно повышение требований к техническому уровню, качеству и надежности изделий, сокращение сроков морального старения средств 
техники. Это приводит к необходимости постоянного сокращения сроков проектирования при одновременном совершенствовании конструкций новых машин и 
технологии их изготовления, внедрения новых материалов, более точных методов расчета. 
Однако, несмотря на все новшества, человек играет значительную роль в 
производстве. Инженеры-технологи сталкиваются со множеством задач, которые машина решить не в состоянии. К таким задачам относятся: разработка технологических процессов, подбор инструментов и оборудования, обеспечение качества выпускаемой продукции, расчет припуска на механическую обработку деталей и другие.  
В книге рассмотрены этапы определения припуска и предложены современные способы автоматизации данной задачи. Книгу можно использовать в качестве учебного пособия, она будет интересна технологам машиностроительных 
предприятий и студентам, обучающимся на соответствующей специальности. 
 
 
 
4 

1. ПРИПУСК И МЕТОДЫ ЕГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ 
 
1.1. Общие сведения о припуске  
на механическую обработку 
 
Припуск – это слой материала, который необходимо снять с заготовки, для 
того, чтобы обеспечить необходимую геометрическую точность детали, а также 
необходимую чистоту поверхности. 
Установление правильной толщины припуска на обработку является важной технико-экономической задачей. Маленький припуск может не обеспечить 
заданных параметров шероховатости детали. Кроме того, на заготовке может сохраниться дефектный слой с предыдущей операции, что может привести к браку. 
Большие припуски могут привести к экономическим потерям, так как придется 
снимать много материала для достижения заданных параметров. 
Как правило, на предприятиях для обработки деталей применяют три вида 
обработки: черновую, получистовую и чистовую. После чистовой обработки может быть применено шлифование, в редких случаях – тонкая обработка. Для каждой операции и для каждой поверхности нужно рассчитывать припуск. И если 
для простых деталей припуск можно рассчитать вручную, то для сложных деталей это сделать не так просто. В связи с этим выделяют два способа определить 
припуск: аналитический и справочный.  
Аналитический метод позволяет точно рассчитать максимальный, минимальный и номинальный припуск на операцию. Но в то же время, аналитический 
метод требует времени для выполнения расчетов и их проверки, особенно, когда 
деталь имеет сложную конфигурацию. Поэтому наибольшее распространение 
получил справочный метод. Суть справочного метода в том, что величину припуска определяют по справочной литературе, которая составляется на основе 
данных, полученных на предприятиях. Этот метод более быстрый, но менее точный. Также, при разработке технологического процесса, инженеры-технологи 
чаще используют свои знания и личный опыт при назначении операций механической обработки. 
Однако в современном машиностроении пользоваться справочниками не 
всегда удобно. Во-первых, большая часть справочников была написана еще в советское время, а значит данные в них являются устаревшими. Во-вторых, далеко 
не все справочники имеют полную и необходимую информацию, зачастую она 
может отсутствовать, а некоторые справочники даже противоречат друг другу. 
5 

Поэтому в качестве еще одного варианта для определения припуска выступают специальные программы, которые по вводимым данным способны рассчитать припуск. Это позволяет избежать определенных ошибок при ручном расчете, а также получить более достоверную информацию, по сравнению со справочным методом. 
Тем не менее, программы имеют ряд недостатков.  
Во-первых, подобные программы нуждаются в поддержке и обновлениях, 
так как данные для расчетов программы получают не только от пользователя, но 
и от баз данных, встроенных в программу. Если базы данных не обновлять своевременно, то программа будет выдавать неточные результаты расчетов. Иными 
словами, базы данных, по сути, являются электронными справочниками, а значит устаревают точно так же, как и печатные. 
Во-вторых, недостаточная кросс-платформенность программы. Обычно, 
для того, чтобы программа работала, ее необходимо установить на компьютер 
или смартфон со всеми необходимыми библиотеками или базами данных, но изза большого их количества вес программы может оказаться большим, что приводит к тому, что программа не устанавливается на слабых устройствах. Эту проблему можно решить при помощи облачных вычислений, когда все базы данных 
хранятся на сервере, и там же происходят вычисления, при этом устанавливать 
программу не нужно, а для ее активации достаточно будет зайти на сайт. 
К преимуществам программы можно отнести ее высокую скорость работы, 
при грамотной реализации – кросс-платформенность, применение современных 
технологий для реализации, а также – перспектива развития программы, так как 
в дальнейшем к этой программе можно подключать дополнительные модули, 
расширяющие ее возможности. 
Так как основными задачами машиностроения являются непрерывное повышение качества машин и оборудования и совершенствование роста производительности труда на предприятиях, то автоматизация инженерных расчетов 
позволит повысить производительность труда за счет того, что инженер сможет 
быстрее разработать технологический процесс и выполнять остальные необходимые действия. 
Учитывая все вышесказанное, можно с уверенностью сказать, что дальнейшее развитие машиностроения неразрывно связано с развитием информационных технологий, и разработка универсальных вычислительных программ – одна 
из важных задач науки [1]. И задачу определения припуска также можно решить 
при помощи соответствующей программы. 
 
6 

1.2. Теоретический расчет припуска  
на механическую обработку 
 
Прежде чем приступать к расчетам, необходимо получить исходные данные. К ним относятся: размеры заготовки, размеры детали, информация о шероховатости поверхностей, допуски на размеры. Всю эту информацию можно получить с чертежа детали. Также перед расчетами необходимо определиться с 
операциями механической обработки. Для этого достаточно посмотреть на окончательные размеры детали и допуски на эти размеры – чем меньше размер и чем 
жестче допуск – тем больше нужно операций. В некоторых случаях бывает достаточно одной операции – черновой или чистовой, в иных случаях требуется 
выполнить черновую, получистовую, чистовую и тонкую обработку. Следует 
также учитывать, что одна операция может включать в себя несколько переходов. Например, если припуск на операцию составит 10 мм, то никакой инструмент не сможет за один проход срезать такой слой металла, а значит его придется 
срезать поэтапно, по несколько миллиметров за один проход. При этом последний проход должен обеспечить операционный размер с учетом допуска.  
В начале разработки технологического процесса у технолога всегда есть информация о заготовке, о ее размерах и допусках, а также информация о детали. 
Исходя из данных о детали, технолог выбирает операции, указывает размеры, 
которые необходимо выполнить и допуски на них. При этом допуск и размер на 
последней операции должен соответствовать допуску и размеру, указанным на 
чертеже. Все эти действия можно обозначить как предварительный этап. 
После этого необходимо удостовериться, что операции подобраны правильно. Для этого рассчитывают коэффициент уточнения для выполняемой операции – İi, который характеризует достижение требуемой точности при обработке 
[2, 3]. 
 
 
ߝ௜= ܶ௜ିଵ/ܶ௜, 
(1) 
 
где Ti-1 – поле допуска на размер, полученный на предыдущей операции; Ti – поле 
допуска на размер на выполняемой операции. Рассчитав коэффициент уточнения 
для каждой операции, можно определить общее уточнение: 
 
ߝˑ˄˜ = ߝଵ× ߝଶ× ߝଷ× … × ߝ௡,                                       (2) 
 
где İ1, İ2, İ3, – коэффициент уточнения соответственно для 1-й, 2-й, 3-й операции; 
İn – коэффициент уточнения соответственно для последней операции. 
7 

Так как суть механической обработки – получить из заготовки готовую деталь, то требуемое уточнение – İто – можно определить, используя значения полей допусков заготовки и детали: 
 
ߝ˕ˑ = ܶ
ˊ/ܶ
ˇ,                                                      (3) 
 
где Tз – поле допуска на размер заготовки; Tд – поле допуска на готовый размер 
детали. 
Правильность подбора операций определяется из неравенства: 
 
 ߝˑ˄˜ ൒ߝ˕ˑ.                                                    (4) 
 
Если неравенство выполняется, значит операции, и допуски на межоперационные размеры (но не сами размеры) определены верно, и такой маршрут обработки можно использовать при составлении технологического процесса. Если 
же неравенство не выполняется, значит подобранных операций недостаточно для 
достижения требуемой точности, или же допуски были назначены не верно. 
Для понимания, как между собой связаны межоперационные размеры, их 
допуски и припуски ниже приведен рисунок 1. 
 
 
 
Рисунок 1. Схема расположения припусков при обработке вала 
8 

На рисунке 1 приведены следующие обозначения: Dзаготовки – диаметр заготовки, Dток – диаметр, получаемый на токарной операции, Dшлиф – диаметр, получаемый на шлифовальной операции, ES – верхнее отклонение заготовки, EI – 
нижнее отклонение заготовки, ܼ˕ˑˍ
ːˑˏ – номинальный припуск на токарную операцию, ܼ˛ˎˋ˗
ːˑˏ  – номинальный припуск на шлифовальную операцию,  ܼˑ˄˜
ːˑˏ – общий 
номинальный припуск, ܼ˕ˑˍ
୫ୟ୶ – максимальный припуск на токарную операцию, 
ܼ˛ˎˋ˗
୫ୟ୶ – максимальный припуск на шлифовальную операцию, ܼ˕ˑˍ
୫୧୬ – минимальный припуск на токарную обработку, ܼ˛ˎˋ˗
୫୧୬ – минимальный припуск на шлифовальную операцию, Тзаг – поле допуска заготовки, Тток – поле допуска для токарной операции,  Тшлиф – поле допуска для шлифовальной операции. 
В данном случае диаметр, получаемый после шлифовальной операции – 
Dшлиф – будет равен окончательному диаметру детали Dдетали. По рисунку также 
понятно, что припуск не является точной величиной, а имеет свои отклонения в 
виде максимума и минимума, и каждое отклонение, как и номинал, считаются по 
определенным формулам: 
 
 
ܼ௜௠௜௡= ܴݖ௜ିଵ+ ݄௜ିଵ+ ο௜ିଵ+ ߝ௜, 
(5) 
 
 
ܼ௜ = ܼ௜௠௜௡ + eiܦ௜ିଵ + esܦ௜, 
 (6) 
 
 
ܼ௜௠௔௫ = ܼ௜௠௜௡ + ITܦ௜ିଵ + ITܦ௜, 
(7) 
 
где Rz – высота неровностей поверхности (шероховатость), h – глубина дефектного слоя, ǻ – суммарные отклонения расположения поверхностей, İ – погрешность установки заготовки, eiܦ௜ିଵ и esܦ௜ – предельные отклонения размеров соответственно на предшествующем и выполняемом переходах, ITܦ௜ିଵ и ITܦ௜ – 
поле допуска на получаемый размер соответственно на предшествующем и выполняемом переходах. 
В качестве проверки можно вывести формулу, используя рисунок 1: 
 
ܦˊ˃ˆˑ˕ˑ˅ˍˋ = ܦ˛ˎˋ˗ + ܼ˛ˎˋ˗
ːˑˏ + ܼ˕ˑˍ
ːˑˏ.                                  (8) 
 
Следует отметить, что все погрешности измеряются в микрометрах, а в некоторых случаях компенсируются настройкой станка, или вовсе равны нолю, 
если заготовка закреплена в патроне или центрах. Также в микрометрах измеряется шероховатость и глубина дефектного слоя, что означает, что минимальный 
припуск Zimin с большой долей вероятности не будет превышать 2-х миллиметров. В свою очередь номинальный припуск Zi зависит от отклонений размеров 
9 

на предшествующей и выполняемой операции. Тогда получается, что величина 
припуска маленькая, и не превышает нескольких миллиметров, но если в исходных данных размер детали отличается от размера заготовки на гораздо большую 
величину, то равенство в формуле 8 не будет выполняться. 
Рассмотрим это на конкретном примере. 
Заготовка: сортовой прокат обычной точности, сталь 45, ႇ75-0,5 мм, длина 
80 мм. 
Деталь: ႇ50-0,1 мм. 
Разница между диаметрами составляет 25 мм. 
Необходимо определить значения припуска для черновой и чистовой операций. Допуск для черновой операции составит ሺି଴,ହ
଴
ሻ, допуск для чистовой операции будет ሺି଴,ଵ
଴
ሻ. 
Также будем считать, что заготовка закреплена в самоцентрирующемся 
трехкулачковом патроне. 
 
Таблица 1 
Качество сортового проката [2] 
 
 
Таблица 2 
Кривизна профиля сортового проката [2] 
 
10