Практическое занятие № 1 Алгоритмизация процедуры выбора оборудования на технологическую операцию Рекомендации по выбору станков

Технологические возможности современных металлорежущих станков

Одно из радикальных решение проблемы повышения точности механической обработки – применение современных многоцелевых станков.

Многоцелевые станки (МЦ) - станки с числовым программным управлением и автоматической сменой инструмента для выполнения нескольких различных видов обработки резанием. Кроме МЦ существуют и другие станки с ЧПУ с автоматической сменой режущих инструментов, которые не называют многоцелевыми. Разница между ними в следующем.

Многоцелевые станки отличаются особо высокой концентрацией обработки. На них производят черновую, получистовую и чистовую обработку сложных корпусных заготовок, содержащих десятки обрабатываемых поверхностей, выполняют самые разнообразные технологические переходы: фрезерование плоскостей, уступов, канавок, окон, колодцев; сверление, зенкерование, развертывание, растачивание гладких и ступенчатых отверстий; растачивание отверстий инструмента с тонким регулированием на размер; обработку наружных и внутренних поверхностей и др.

Для осуществления этих операций на станке необходимо иметь большой запас металлорежущих инструментов. У станков с ЧПУ и автоматической сменой инструмента запас инструментов создается обычно в револьверных головках. Среди них фрезерные и сверлильные станки, предназначенные для изготовления главным образом таких корпусных и плоских деталей, для обработки которых достаточно иметь пять-десять различных инструментов. Многоцелевые станки имеют инструментальные магазины с запасом в 15-30, а при необходимости в 50-100 и более инструментов.

Еще одна важная особенность большинства многоцелевых станков - наличие стола или делительного приспособления с периодическим или непрерывным (по программе) делением. Это обязательное условие для обработки заготовки с нескольких сторон без переустановки. Станки новых конструкций оснащают дополнительными столами и устройствами для автоматической смены заготовок. Заготовки предварительно закрепляют на приспособлении-спутнике, и вместе с ним они попадают с дополнительного стола на основной. Установку заготовки в спутник и снятие обработанной детали производят во время работы станка. Таким образом, вспомогательное время, затрачиваемое на загрузку станка, сводится к минимуму.

Многоцелевые станки имеют чаще всего контурную систему управления, позволяющую обрабатывать разнообразные криволинейные поверхности, фрезеровать отверстия. Они отличаются широким диапазоном бесступенчатого регулирования частоты вращения шпинделя (заготовки) и подач, высокими (до 8-12 м/мин) скоростями быстрых (вспомогательных) ходов, особо высокой жесткостью и надежностью.

Многоцелевые станки для обработки корпусных деталей можно разделить на две группы, характеризуемые расположением оси шпинделя относительно рабочей поверхности стола: с перпендикулярным (вертикальным) расположением шпинделя к поверхности стола; с параллельным (горизонтальным) расположением шпинделя относительно зеркала стола. Вертикальный шпиндель станков первой группы обеспечивает доступ инструментов к одной стороне заготовки. Такие станки выгодно применять для обработки деталей, у которых объем обработки с одной стороны превышает объемы обработки с других сторон. Можно успешно обрабатывать на них за одну операцию несколько сторон, используя переналаживаемые многопозиционные приспособления. Станки с горизонтальным расположением шпинделя чаще всего снабжают поворотным столом, который создает условия для обработки детали с разных сторон.

В конструкции современных МЦ наблюдается тенденция к переходу от дискретности задания перемещений в 0,01 мм к дискретности в 0,001 мм и от чувствительности (наименьшего отрабатываемого перемещения) в 0,005 мм к чувствительности 0,001 - 0,002 мм. Дискретность и чувствительность станка в 0,001 мм удовлетворяют по точности отсчета размеров любым потребностям современного машиностроения.

Обрабатываемая заготовка закрепляется на плите приспособления, которая может перемещаться по направляющим среднего и боковых и столов. При обработке заготовка находится на среднем столе, который может периодически поворачиваться на заданный угол в соответствии с программой. В зависимости от принятой технологии в каждом положении (позиции) стола выполняется или полная обработка всех поверхностей (плоскостей, отверстий и т. д.), или вначале фрезеруются поверхности, а затем обрабатываются отверстия.

Так как вся обработка детали ведется автоматически по программе, то за это время оператор устанавливает в приспособление левого стола станка другую заготовку. По окончании обработки плита с приспособлением и обработанной заготовкой передвигается на правый свободный стол, а ее место занимает другая плита с уже закрепленной заготовкой. На станке можно обрабатывать сложные детали.

Многоцелевой станок — это металлорежущий станок, предназначенный для выполнения нескольких различных видов обработки резанием, имеющий систему числового программного управления и оснащенный системой автоматической смены инструментов.

Многоцелевые станки являются универсальным оборудованием и делятся на две группы:

- токарно-сверлильно-фрезерно-расточные, предназначенные для обработки заготовок деталей типа тел вращения (компоновки таких станков аналогичны компоновкам традиционных токарных станков с ЧПУ);

- фрезерно-сверлильно-расточные, предназначенные для обработки заготовок корпусных и плоских деталей (компоновки этих станков схожи компоновкам фрезерных станков с ЧПУ);

Многоцелевые станки для обработки деталей типа тел вращения отличаются от обычных токарных станков с ЧПУ тем, что могут производить обработку вращающимся инструментом, имеют возможность точного углового позиционирования шпинделя, и вращения шпинделя в режиме круговой подачи. Поэтому на этих станках можно выполнять все виды токарной обработки, а также фрезерные, сверлильные, расточные и другие операции (обработку внецентровых отверстий, фрезерования лысок, шпоночных пазов, фасонных пазов, продольных и поперечных плоскостей, профильных канавок и т.д.)

Фрезерно-сверлильно-расточные станки с ЧПУ предназначены для обработки плоских и фасонных поверхностей, тел вращения, зубчатых колёс и т.п. Главное движение является вращательным и сообщается инструменту, закрепленному в шпинделе станка, а заготовка, закреплённая на столе, совершает поступательное движение подачи. На данных станках выполняют следующие технологические операции: фрезерование, сверление, расточку, нарезание резьбы, зенкерование, развёртывание, контроль качества обработки и др.

Фрезерно-сверлильно-расточные станки с ЧПУ комплектуются системой автоматической смены инструмента манипуляторного или безманипуляторного типов. Необходимый запас инструментов создается в револьверных головках или инструментальных магазинах барабанного или цепного исполнений. Некоторые станки имеют поворотные конструкции шпиндельной головки и стола с возможностью движения по одной, двум или трем координатам, что позволяет обрабатывать самые сложные поверхности с минимальным количеством установов. Многие станки оснащаются системами автоматизированной смены заготовок. При этом во время работы станка заготовка устанавливается (или снимается деталь) на сменном столе-спутнике, и вместе с ним она попадает на основной стол станка.

Компоновка обрабатывающего центра любой модели, помимо обычных параметров, определяется его технологическими возможностями. К ним относятся: размеры рабочего пространства, характеристика инструментального блока, емкость инструментального магазина, время смены инструмента, количество столов-спутников, их размеры, время смены столов-спутников, тип системы управления, число одновременно управляемых координат, дискретность и точность перемещений по координатам и др.

Перспективные МЦС Краснодарского станкозавода «СЕДИН»

Рисунок 1 - Специальный технологический комплекс для обработки крупнокорпусных деталей «МУЛЬТИЦЕНТР»

Ключевые параметры МЦС «Мультицентр»:

- интеграция в обрабатывающее пространство новых, в том числе и нетрадиционных технологий обработки изделий;

- интеграция систем управления технологиями автоматизированной разметки и компенсации внешних факторов при обработке детали;

- интеграция новейших инструментальных систем, технологий коммуникаций и эффективных элементов безопасности.

Технические характеристики:

- наибольший диаметр обрабатываемой заготовки – 6300 мм.

- наибольшая масса обрабатываемой заготовки – 150000 кг.;

- точность кругового позиционирования ± 5 угл. сек.;

- класс точности «П».

Рисунок 2 - Специальный технологический комплекс для обработки крупнокорпусных деталей «МАКРОЦЕНТР»

Технические характеристики МЦС «Макроцентр»:

- наибольший диаметр обработки – 5000 мм;

- наибольшая высота обработки – 3000 мм;

- наибольшая масса заготовки – 125000 кг;

- диаметр планшайбы – 4500 мм;

- размеры расточного стола – 4500 х 9000 мм;

- перемещение портала – 14650 мм;

- мощность главного токарного привода – 55х2 = 110 кВт;

- мощность привода инструмента – 52 кВт.

Технологические возможности МЦС на базе ТКС:

- токарная обработка торцевых, цилиндрических, конических и криволинейных поверхностей наружного и внутреннего контура типа тел вращения;

- нарезание резьб на наружных и внутренних поверхностях вращения;

- фрезерование прямолинейных и криволинейных поверхностей;

- сверление, растачивание, зенкерование, развертывание на любых поверхностях детали;

- различные виды специальной обработки (шлифование, накатка).

Станки Ивановского завода тяжёлого станкостроения (http://www.izts.ru/)

Рисунок 3 - Центр горизонтальный обрабатывающий ИС800ПМФ4

Технические характеристики ИС800ПМФ:

Станки модели ИС800пмф4 предназначены для высокопроизводительной обработки особо сложных корпусных деталей из любых конструкционных материалов в различных отраслях промышленности, в т.ч. для производства сложных пресс-форм. Сочетает в себе высокий уровень универсальности, компактности и точности.

Программируемые перемещения – 1000х1000х800 мм;

Дискретный стол – 120 позиций через 30;

Емкость инструментального магазина, шт. 40, 64(100);

Длина инструмента, мм - 400;

Наибольшая масса инструмента, кг – 25;

Габариты стола-спутника, мм - 800х800;

Грузоподъемность стола-спутника, кг – 2000;

Емкость накопителя стола-спутника, шт. - 2(6);

Мощность главного привода, кВт - 22(30);

Габаритные размеры станка, мм - 6150х4750х4000;

Масса станка, кг – 16925.

Рисунок 4 - Обрабатывающие центры серии ИС1250

Серия горизонтальных расточно-сверлильно-фрезерных обрабатывающих центров ИС1250.

Технические характеристики станка модели ИР1250Ф1, ИС1250ПМФ4, ИС1250ПМФ4 с увеличенным столом.

Серия горизонтальных расточно-сверлильно-фрезерных обрабатывающих центров ИС1250 предлагает потребителю эффективный метод обработки сложных поверхностей крупногабаритных деталей из чугуна, стали, алюминия и других металлов. Концепция данной серии станков, сконструированных из модульных единиц, позволяет создать оптимальную конфигурацию в соответствии с требованиями заказчика.

Данные обрабатывающие центры выпускаются с размерами рабочей поверхностью стола от 1250 х 1400 (грузоподъемность 5 т) до 1600 х 2000 (грузоподъемность 8 т), диаметром шпинделя 110 или 130 мм, инструментальным магазином емкостью от 40 до 100 инструментов.

На станках серии ИС1250 выполняются технологические операции:  сверление, зенкерование, растачивание, развертывание точных отверстий, связанных координатами, фрезерование плоскостей и пазов и уступов, нарезание резьбы однолезвийным инструментом посредством выдвижного шпинделя.

Станки корпорации Ymazaki Mazak

Корпорация Ymazaki Mazak одна из первых предложила и реализовала концепцию «СДЕЛАНО В ОДНОМ» (done in one). Внедрение передовых технологий и еще большее количество инноваций позволяет оставаться компании Mazak лидером в Японии и во всем мире в области станкостроения. Компания МAZAK усовершенствовала свои станки и наделила их интеллектом. Они обладают «Нервной системой» и имеют возможность определять изменения условий эксплуатации и правильно реагировать на них. Станки с интеллектуальной системой управления обладают качественно новыми функциями в стандартной комплектации оборудования. В данный момент во всем мире установлено и успешно работает более 10000 многоцелевых станков [https://www.mazak.ru/].

Рисунок 5 - МЦ станок серии IntegrexE-HII на основе токарного станка

Станки серии INTEGREX e-H II гармонично сочетают в себе токарный центр с ЧПУ и обрабатывающий центр, реализуя концепцию «DONE IN ONE» (СДЕЛАНО В ОДНОМ) для обработки крупногабаритных деталей.

Объединяя в себе информационные и производственные технологии, станки серии Integrex E-H II обеспечивают непревзойденную производительность. Благодаря таким характеристикам как перемещение по оси Y на расстояние от 410 до 650 мм и максимальной длине обработки 6101 мм, становиться возможным удовлетворить любые технологические требования. А появление модели Integrex E-420H-ST II с револьверной головкой и увеличенным ходом по оси Y еще больше увеличило эксплуатационные возможности серии Integrex E-H II.

Рисунок 6 - МЦ станок серии IntegrexE-V II на основе расточного станка

Большинство идей из проекта будущего реализовано уже сейчас в станках серии Integrex E-V II. Фрезерный шпиндель может поворачиваться до 150° как при горизонтальной, так и при вертикальной обработки. Возможно также растачивание под углом и фрезерование сложных поверхностей. В дополнение к этому серия Integrex E-V II имеет мощную высокоточную планшайбу, которая позволяет обрабатывать заготовки большого диаметра и значительно сократить время обработки. Кроме этого, на станки серии Integrex E-1060V/8 II RAM устанавливаются длинные расточные оправки. Смена режущих головок для токарной обработки по внутреннему диаметру и угловых держателей инструмента для глубокого сверления происходит с помощью устройства АСИ.

Максимальные размеры обрабатываемой заготовки, мм: диам. 730-1500 х 1000 – 1800 мм., (паллета с резьбовыми отверстиями) диам. 500 – 1800 мм.

Рисунок 7 - МЦ станок серии variaxis 730-5X II

Станок серии variaxis 730-5X II предназначен для высоко точной и высоко эффективной обработки деталей с пяти сторон и по пяти осям. Размер паллеты – 630х500 мм; длина хода по осям X, Y, Z – 730,850,560 мм; поворот по осям А/С - 120~30⁰/± 360⁰; скорость быстрого перемещения по осям X, Y, Z – 42000 мм/мин, а по осям А, С – 18000 ⁰/мин; частота вращения шпинделя до 10000 мин^-1, мощность привода шпинделя – 30 кВт; емкость инструментального магазина от 30 до 120 инструментов.

Рисунок 8 - МЦС четвертого поколения INTEGREX 300 IV ST

Станки серии Integrex IV четвертого поколения отличаются еще большим количеством инноваций. Возможность многоцелевой обработки на станках серии Integrex IV позволяет полностью завершить процесс обработки (от исходной заготовки до готовой детали) за один установ. Высокоскоростной усовершенствованный фрезерный шпиндель с углом поворота до 240°, нижняя револьверная головка с возможностью установки вращающегося инструмента и второй шпиндель с функциями оси С, как и у главного шпинделя, — все это обеспечивает непревзойденный уровень обработки. А минимальная дискрета поворота по осям B и C 0,0001° гарантирует уникальную точность.

Таким образом, применение современных МЦС обеспечивает радикальное повышение точности обработки деталей за счет следующих факторов:

1. МЦС имеют точность не ниже класса «П», т.е. их погрешности не менее чем в шесть раз ниже погрешностей обычных станков.

2. Высокая концентрация различных переходов на многоцелевых операциях позволяет минимизировать число установок и переустановок и погрешности, связанные с ними.

3. Наличие систем входного, внутри операционного и выходного контроля активного характера обеспечивает своевременную корректировку всех основных параметров процесса резания, влияющих на точность обработки.

4. Снижение влияния субъективных факторов на результаты технологического воздействия.

ПРИМЕР

В качестве примера рассмотрим задачу выбора шлифовального станка на операцию круглого наружного шлифования методом врезания.

Допустим, на некотором предприятии имеются шлифовальные станки трех моделей: 3У12В, 3У131М, 3М163В — они и составляют множество типовых решений (МТР):

Сформируем комплекс условий применяемости выявленных типовых решений. Комплекс условий применяемости — это множество параметров, проверка которых с достаточной достоверностью позволит выбрать то или иное решение. Условиями применяемости в данном случае являются размещение детали в рабочей зоне станка и возможности обработки ее на данном типе оборудования. Первая группа условий регламентирует габаритные размеры детали: диаметр вала D и длина L (рисунок 9) должны находиться в пределах, допустимых рабочей зоной станка. Вторую группу условий сос­тавляют следующие требования: длина шлифуемой шейки l не должна превышать высоту шлифовального круга H; высота бурта h у шлифуемой шейки детали 3 не должна быть больше, чем перепад шлифовального круга 1 и закрепляющей его планшайбы 2.

1 – шлифовальный круг, 2 – планшайба, 3 – обрабатываемая деталь

Рисунок 9 – Схема установки детали на шлифовальном станке

Условия применяемости типового решения являются ограниче­ниями на параметры, характеризующие исходные данные рассматриваемой задачи. Это позволяет описать комплекс условий применяемости (КУП) математическими средствами:

Совокупность параметров, регламентированных комплексом усло­вий применяемости, называют комплексом параметров применяемости (КПП). В данном случае:

КПП = {D, L, l, h}.

В соответствии с комплексом параметров применяемости формируются исходные данные задачи и характеристики типовых решений.

Для решения задачи нужно выявить допустимые для каждого типового решения диапазоны параметров применяемости. Соответствующие характеристики шлифовальных станков и обрабатываемых деталей приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Условия применяемости шлифовальных станков

Модель станка	Параметры станков
	D	L	l	h
3У12В	 200	 500	 40	 50
3У131М	 280	 700	 50	 75
3М163В	 280	 1400	 200	 75

Далее формируется массив условий применяемости (МУП):

В соответствии с комплексом условий применяемости для задан­ного набора исходных данных (параметров деталей)

из трех имеющихся принимается то решение, которое удовлетворяет неравенствам КУП.

Процедуру проверки этих условий можно описать при помощи формального алгоритма (рисунок 18).

Рисунок 10 – Алгоритм выбора шлифовального станка

На основе этого алгоритма может быть составлена программа для ЭВМ, позволяющая для любого набора исходных данных U_д выбрать модель шлифовального станка.

Важнейшим этапом в разработке алгоритма решения задачи логического типа является формирование комплекса условий приме­няемости. В рассмотренном примере выделены лишь условия, опре­деляющие принципиальную возможность обработки. В производ­ственных условиях этот комплекс может быть расширен.