Надежность станков

Важнейшие тенденции развития станко­строения - повышение точности, производительности и уровня автоматизации станков.

Повышение производительности станков достигается повышением режимов резания, применением новой прогрессивной технологии с уменьшением нерабочего для инструмента времени. Исследования на заводах с единичным и серийным характером производства показа­ли, что обработка деталей занимает лишь 5% общего времени от за­пуска деталей в производство до окончания их изготовления.

Важнейшим направлением повышения производительности и облегчения труда и, в частности, решения проблемы недостатка ра­бочих кадров является автоматизация станков и комплексная авто­матизация производства. Автоматизация массового и крупносерий­ного производства достигается применением автоматических ли­ний и цехов. Автоматические станочные линии повышают произво­дительность обработки по сравнению с обработкой на универсаль­ных станках в десятки раз. Автоматизация серийного и мелкосерий­ного производства достигается применением станков с числовым программным управлением (ЧПУ) и гибких производственных систем. Японские результаты исследования показывают, что замена 5 универсальных станков станками с ЧПУ позволяет уменьшить число операторов с 5 до 3, а производительность увеличить в 3 раза. Если же дополнительно установить роботы для подачи заготовок и сня­тия готовых деталей, то число операторов можно сократить до двух, при этом производительность труда возрастает в 3,5 раза по срав­нению с первоначальной.

Затраты на ремонт и потери от простоев станков, как и других машин, весьма значительны. Среднее время простоя универсального станка в ремонте, отнесенное к одной смене, составляет 10 мин. Сложность и высокая стоимость станков с ЧПУ требуют соответствующего уровня их надежности и использования. По исследованиям ЭНИМС, приемлемый уровень удельной длительности восстановле­ния для станков с ЧПУ составляет 0,05. . .0,1, т. е. 5. . .10 ч про­стоя станка в неплановом ремонте на 100 ч работы по программе.

Точность и производительность станков в значительной степени зависят от их надежности. Надеж­ность станков определяется надежностью механизмов и узлов стан­ков против разрушений и других отказов и точностной надежностью, т. е. надежностью по критерию точности обработки.

Возможно, рассмотрение надежности собственно станков и на­дежности всей технологической системы: станок, инструмент, при­способление, заготовка. В этом комплексе наименее надежным эле­ментом является инструмент, так как на его лезвии возникают вы­сокие напряжения и температуры.

Требования к надежности станков различных типов различны.

Для универсальных легких и средних станков в обычных условиях их применения из комплекса требований к надежности наибольшее значение имеет технический ресурс.

С другой стороны, для тяжелых станков важна безотказность в течение длительного времени, а в случае обработки точных и дорогих изделий - также безотказность системы в течение одной операции.

По сравнению с универсальными станками к надежности спе­циальных и уникальных станков предъявляют более высокие требо­вания во избежание необходимости установки на заводах дорогих станков-дублеров.

Для станков, встраиваемых в автоматические линии, требования к надежности наиболее высоки, так как выход из строя одного из них ведет к простою участка или даже всей линии.

Надежность механизмов и узлов станков против разрушений и от­казов рассматривается, во-первых, в связи с возникновением вне­запных отказов: нарушением нормального процесса обработки, ус­талостными разрушениями и заеданиями, во-вторых, в связи с монотонным постепенным понижением работоспособности вследствие износа, коррозии и старения.

Наблюдаются следующие виды отказов, связанных с нарушением нормального процесса обработки:

-недопустимое врезание инструмен­та в заготовку вследствие сбоев системы автоматического управле­ния;

-забивка зоны резания стружкой;

- наезд суппортов или столов один на другой или на другие узлы по тем же причинам;

-вырывание об­рабатываемой заготовки из патрона или приспособления;

-переклю­чение шестерен на большой скорости.

Надежность станков по критерию усталостных разрушений обыч­но бывает достаточной. Это объясняется тем, что универсальные станки работают при переменных нагрузках, с редким использова­нием полной мощности; размеры многих деталей станков определя­ются не прочностью, а другими критериями работоспособности, в первую очередь жесткостью; зубчатые передачи станков работают с износом, затрудняющим развитие трещин поверхностной усталости.

Усталостные поломки деталей привода наблюдаются только в станках, работающих с большими длительно действующими на­грузками, при динамическом характере сил резания, а также при пуске станков без муфт асинхронными двигателями, когда моменты (по экспериментальным данным) достигают 4. . .5 номинальных и при торможении станков противовключением электродвигателей. Поломки зубьев также наблюдаются при дефектах закалки ТВЧ в случаях, если возникают остаточные напряжения рас­тяжения.

Износостойкость является важным критерием надежности ме­ханизмов станков. Особенно изнашиваются механизмы, плохо за­щищенные от загрязнений, плохо смазываемые и работающие в ус­ловиях несовершенного трения. К ним относятся червячные и вин­товые передачи, передачи винт — гайка, рейка — реечная шестер­ня и другие механизмы, расположенные вне корпусов с масляной ванной. Переключаемые и сопряженные с ними шестерни имеют ин­тенсивный износ по торцам зубьев, из-за которого наиболее напря­женные переключаемые шестерни до введения бочкообразной формы закругления зубьев менялись через 2. . .3 года эксплуатации.

В тяжелых и быстроходных станках, а также в узлах, в которых применяются твердые антифрикционные материалы (чугун, твердые бронзы и др.), особую опасность представляет заедание.

Нарушение работы гидроприводов связано с износом клапанов и элементов управления, с нарушением регулировки (из-за недоста­точно хорошей фиксации, низкого качества пружин и др.). Гидро­приводы работают при относительно высоких температурах масла и значительных скоростях, что способствует окислению масла и обра­зованию высокомолекулярных соединений, в результате чего сис­тематически засоряются узкие щели в элементах гидропривода. Недопустимо применять масла из сернистых нефтей, так как при этом гидроприводы из-за выделения высокомолекулярных соедине­ний выходят из строя через несколько месяцев работы.

Точностная (параметрическая) надежность связана с медленно протекающими процессами: износом, короблением, старением. Дол­говечность по точности в первую очередь зависит от состояния на­правляющих, шпиндельных опор и делительных цепей. Необходи­мость капитального ремонта преимущественно вызывается состоя­нием направляющих.

Надежность станков по точности изделий определяют следую­щие факторы:

-нарушение настройки связано со сня­тием сил трения в зажимах, перераспределением сил между зажима­ми и механизмами подвода, а, следовательно, и соответствующим из­менением жесткости. Нарушению настройки способствуют ударные нагрузки, а также значительные температурные перепады;

-малость упругих деформаций во избежание недопустимого копи­рования на изделии погрешностей заготовки, трудности установки на размер и т. д.;

-виброустойчивость технологической системы во избежание рас­стройки технологической системы, образования волн на поверхно­сти, отказа в работе из-за недопустимых вибраций;

-малость и постоянство температурных деформаций. Непостоян­ство температурных деформаций связано с разогревом системы, ко­лебаниями температуры воздуха и грунта, переменностью теплооб­разования в механизмах станка в связи с приработкой, изменением уровня масла, регулировкой и т. д., а также переменностью тепло­образования в процессе резания. Многие станки не обеспечивают точности обработки до разогрева. Станины длинных станков, при постоянном скреплении с фундаментом, подвергались бы годичным температурным деформациям со стрелой прогиба более 1 мм; на крупных прецизионных колесах, нарезаемых в течение нескольких суток, наблюдаются суточные температурные полосы и т. д.;

-точность подвода перемещающихся узлов, в частности повтор­ных подводов. Разброс связан с переменностью сил трения и кон­тактной жесткости, влияние которых многократно усиливается вследствие динамического характера подвода;

-сохранение размеров и режущих свойств инструмента. Размер­ный износ и нарушение режущих свойств инструментов приводит к изменениям размеров изделий и увеличению упругих отжатий в системе;

-точность размеров и постоянство твердости заготовок. Разброс размеров и твердости заготовок приводит к переменным упругим отжатиям инструмента;

-предотвращение попадания пыли и стружки на базовые поверх­ности установки обрабатываемых деталей. Характерно, что за рубе­жом в отдельных цехах сборки особо точных станков для предотвра­щения попадания пыли извне поддерживается избыточное давление, а детали поступают полностью обработанными и промытыми.

Надежность станков с ЧПУ может быть характеризована сле­дующими данными по материалам международной организации MTIRA, занимающейся исследованиями станков, время простоев станков с ЧПУ из-за неисправностей составляет 4. . .9% номиналь­ного фонда времени.

Около 55% отказов, по отечественным данным, связано с электронными и электрическими устройствами ввода информации, считывания с перфоленты, переработки информации, электропривода Их устранение занимает около 40% общего времени восстановления. Хотя отказы механических узлов: механизма автоматической смены инструмента, направляющих, шпинделя, системы смазки, привода подач, редуктора датчиков обратной связи — составляют меньшую долю (а именно около 20%), время на их устранение затрачивается такое же.

Мероприятия, по повышению надежности автоматизированного производства:

-оптимизация структуры автоматических линий и автоматизированных участков;

-включение автоматизированных уст­ройств контроля и измерения точности обработки деталей;

- примене­ние научно обоснованных методик приемо-сдаточных испытаний по параметрам надежности и производительности;

- внедрение сис­тем сбора и анализа отказов по сигналам от операторов;

- применение автоматизированной диагностики причин отказов и технического состояния станков с ЧПУ автоматизированных участков и др.

Оценка конструкции и работоспособности деталей и узлов станков по критериям точности, жесткости, теплостойкости, виброустойчивости, статической прочности может быть произведе­на в основном в процессе кратковременных (приемочных, лабора­торных) испытаний. Для определения надежности по критериям износостойкости, усталостной прочности, а также по ударной прочности в связи с перегрузками необходимы длительные эксплуа­тационные испытания или наблюдения.

Окончательная оценка надежности машин производится по ре­зультатам эксплуатационных наблюдений станкозавода в сотрудни­честве и на площадях заводов-потребителей станков. Учитывая пе­ременность условий работы станков, для получения достоверных результатов необходимо охватить наблюдениями достаточно боль­шое количество станков данной модели, работающих на нескольких заводах. Наблюдения должны производиться периодически через каждые три-четыре месяца работы станков сотрудниками групп на­дежности станкозаводов. К наблюдениям для фиксации отказов и простоя станка привлекают рабочих, обслуживающих станок.

Ускоренные испытания проводят в форсированных условиях. При этом наиболее важные узлы испытывают отдельно, а затем вместе со станком. По такой методике проводит контрольные испытания на надежность станков с ЧПУ фирма Moog Ltd (США).

Механизм смены инструмента, работающий с циклом 8 с, испытыва­ют непрерывно 5 ч, в течение которых позиционирование проис­ходит около 600 раз, и т. д. Общее время испытаний каждого стан­ка от начала монтажа до отгрузки потребителю составляет 100 ч.