1. Требования к управлению обработкой резанием в гпс

1.1. Современные тенденции и проблемы

автоматизации обработки резанием

До недавнего времени довольно интенсивно развивалась автоматизация производственных процессов преимущественно массового производства на основе автоматических линий (АЛ) с жесткой кинематической связью, или жестких АЛ. Отличительной особенностью таких линий является жесткая последовательность станков, объединенных в один технологический поток для обработки деталей одного-двух наименований. Операции обработки резанием для жестких АЛ проектируются на основе принципа синхронизации, т.е. равного или краткого времени обработки на каждой рабочей позиции. Для реализации этого принципа назначают параметры режима резания, которые обеспечивают соответственно равенство или кратность периода стойкости режущих инструментов.

Опыт работы АЛ на автомобильных, тракторных и других заводах показывает, что для многих линий характерна высокая интенсивность отказов: среднее время безотказной работы не превышает 7 ... 10 мин, а коэффициент технического использования изменяется от 0,35 до 0,4 [24]. В [4] приведен пример автоматической линии МРЛ-4: в 76 % случаев линия проработала после включения около 2 мин, в 7 % — около 30 мин, а случаев, когда АЛ проработала безотказно более 62 мин, вообще не наблюдалось. Стремление интенсифицировать режим резания приводит к увеличению вероятности отказов вследствие выхода из строя режущего инструмента. Таким образом, несмотря на значительный опыт эксплуатации жестких АЛ, для них сохраняет актуальность проблема надежности и в том числе проблема надежности обработки резанием.

В настоящее время акцент автоматизации в машиностроении все более смешается в сторону мелкосерийного и среднесерийного производства. Такая тенденция объясняется, с одной стороны, большим удельным весом серийного производства в машиностроении (до 75 %); с другой стороны, его характерными особенностями на современном этапе: постоянным усложнением конструкции и увеличением номенклатуры выпускаемых изделий, сокращением сроков смены объектов производства и повышением затрат на их изготовление.

Качественно нового уровня автоматизации обработка резанием в серийном производстве достигла при осуществлении концепции гибкой автоматизации, под которой подразумевается универсальность оборудования для автоматизированного изготовления большого количества разнообразных деталей с минимальным объемом или отсутствием наладочных работ.

По данным [4], коэффициент загрузки станков с ЧПУ в мелкосерийном производстве 0,4 ... 0,6, коэффициент сменности их использования не более 1,3 ... 1,6, а время обработки на станках 7 ... 10% общих затрат времени. Переход от обработки на автономных станках с ЧПУ к обработке на автоматизированных комплексах резко повышает эффективность использования оборудования за счет увеличения коэффициента загрузки до 0,85 ... 0,9 и коэффициента сменности до 2 ... 3.

Основное отличие ГПС от традиционной АЛ заключается в том, что в ГПС последовательность прохождения заготовки в системе станков не регламентируется и может изменяться в зависимости от производственной ситуации. В АЛ порядок следования заготовки от станка к станку задан жестко. Важнейшим преимуществом ГПС является возможность изготовления широкой номенклатуры деталей разной серийности. Большинство существующих ГПС рассчитано на обработку до 10 однотипных деталей. Известны системы, обрабатывающие около 200 наименований и даже около 700 различных деталей типа ролика, валка, барабана.

ГПС являются промежуточным эвеном между АЛ, которые обеспечивают максимальную производительность, и автономными станками с ЧПУ, которые обеспечивают максимальную гибкость при переходе с одного вида детали на другой (рис- 1.1) - ГПС представляет собой дорогостоящие и сложнейшие комплексы из станков и многоцелевых станков с ЧПУ, систем управления, в том числе от ЭВМ, автоматизированных складов заготовок и инструмента, систем автоматизации установки заготовок и контроля качества их обработки, транспортных систем, систем диагностирования оборудования и состояния режущего инструмента.

Количество объединяемых единым управлением станков в 85 % известных ГПС составляет от 2 до 15, а в некоторых до 28 ... 34 станков. Затраты на ГПС распределяются следующим образом: станки 50 %, оснастка станков 25 %, транспорт 10 %, системы управления 8 %, прочие 7 %. Из известных ГПС 75 % предназначено для автоматизации операций обработки резанием корпусных деталей, остальные — для обработки деталей типа тел вращения.

Созданы автоматизированные гибкие комплексы: для обработки деталей тел вращения АСВ-20, АСВ-21, АСВ-30 из четырех — шести станков с ЧПУ, управляемых от ЭВМ; для обработки корпусных деталей АЛЛ 3-2 из восьми станков с ЧПУ с управлением от ЭВМ СМ-4 и АСК-10 из 16 станков с ЧПУ.

В литературе имеется описание различных зарубежных ГПС, предназначенных для механообработки [4, 29]. Рассмотрим три типичные ГПС для последующего анализа вопросов, связанных с проблемами обработки резанием.

ГПС ВТ 12 (Германия) предназначена для механической обработки трех корпусных деталей настольного сверлильного станка: плиты, коробки передач и шпиндельной бабки из серого чугуна. Суточная программа выпуска — 12 шт. каждого наименования деталей.

Станочная часть ГПС состоит из одного агрегатного станка и двух многоцелевых станков. На агрегатном станке заготовка остается неподвижной на рабочем столе, а на шпиндельном поворотном столе с вертикальной осью вращения размещены 10 агрегатных головок, в каждой из которых закреплено три—семь инструментов.

Рис. 1.1. Область применения разных систем автоматизации производства: 1 - АЛ; 2 - системы из специализированных станков с ЧПУ; 3 - ГПС; 4 - пре-дметно-замкнутные производственные участки; 5 — отдельные станки с ЧПУ

На агрегатном станке выполняют сверление, резьбонарезание и фрезерование отверстий. Время установки новой заготовки со снятием ранее обработанной 2,5 мин. Смена инструмента (рабочей позиции) 0,75 ... 1 мин. Величина этого времени зависит от положения агрегатной головки на шпиндельном столе относительно заготовки и необходимости поворота заготовки в новую рабочую позицию. Указанные переходы — установка заготовки, ее повороты, позиционирование агрегатной головки — проходят последовательно.

На многоцелевых станках выполняют фрезерование, сверление, растачивание, резьбонарезание и раскатывание отверстий роликовыми раскатниками. Имеется инструментальный магазин на 76 инструментов и промежуточное загрузочное устройство, в котором находится инструмент, ожидающий обработки. Загрузка инструмента в это устройство из магазина происходит при работе станка. Инструментальный магазин загружен частично - 47 инструментов.

Установка новой заготовки на рабочий стол многоцелевых станков со снятием обработанной происходит за 1 мин, а смена инструмента после остановки обработки, включая его отвод и подвод, составляет 0,75 мин. Заготовка для обработки ожидает на промежуточном загрузочном столе рядом с рабочим столом станка. Машинное время обработки за один рабочий ход одним инструментом 0,5 ... 5 мин.

Управление обработкой осуществляется микропроцессором NC470, а общее обработку подаются по мере их поступления после предварительного фрезерования базовых поверхностей без определенного порядка. Каждая заготовка обязательно проходит через агрегатный станок и один из многоцелевых станков (обработка ведется без охлаждения). Системы диагностики процесса или инструмента отсутствуют. Для каждого инструмента определен постоянный режим резания. При этом 60% всего инструмента изготовлено из быстрорежущей стали, остальные 40 % - фрезы и резцы с твердосплавными пластинками (резцы напайные).

Смена инструмента в магазине происходит по мере уменьшения точности обрабатываемого размера. При отсутствии негативных показаний по точности обработки, звуку инструмент может работать до 1 мес.

Ориентировочный расчет свидетельствует, что период стойкости инструмента не менее 60 ... 120 мин. Режимы обработки нефорсированные даже для инструмента с твердосплавными пластинками. Их назначение осуществляют по нормативным справочникам. Проблемы отвода стружки нет, так как при обработке чугуна образуется стружка скалывания.

Обработка заготовок состоит из 37, 23 и 12 переходов. Машинное время составляет 50 ... 60 % времени прохождения заготовки в системе. Наибольшее время нахождения детали в ГПС 72 мин.

Система ВТ 12 работает непрерывно 5 суток, а в остальные два дня недели проводится ее контроль и наладка. Обслуживает систему один человек, который краном устанавливает заготовки на шестипозиционный загрузочный стол, далее их обработка и перемещения выполняются автоматически. Этот же оператор контролирует работу системы.

ГПС "Prizma-2" (Германия) предназначена для механообработки в течение суток 60 деталей 16 наименований консольно-фрезерного станка: крупногабаритные чугунные детали типа корпусов, направляющих с максимальными размерами 1000X1000X1600 мм. Станочное оборудование включает в себя шесть станков: два вертикально-фрезерных модели FZ1250, два горизонтально-фрезерных модели С100, горизонтальный и вертикальный координатно-сверлильные. ГПС заменила 60 универсальных станков; ее обслуживает сменная бригада из 14 человек, включая обслуживание управляющей ЭВМ, контроль работы, наладку и ремонт ГПС.

В " Prizma-2" выполняют черновое и чистовое фрезерование, растачивание, сверление, резьбонарезание, зенкерование и цековку. Станки снабжены инструментальными магазинами вместимостью от 48 до 138 инструментов. У каждого станка имеется набор инструментов, необходимых для обработки всей номенклатуры обрабатываемых в ГПС заготовок. Маршрут прохождения заготовок может меняться в зависимости от сменно-суточного задания, степени загрузки, отказов и т.п. Время обработки на одном станке от 20 мин до 2,25 ч. Цикл обработки одной заготовки в ГПС составляет около 3 ч. Управление станочной системой обеспечивается управляющей ЭВМ и системами ЧПУ каждого станка и транспортной системы.

В ГПС PVS 400 (Чехия) обрабатываются 25 типоразмеров корпусных деталей из серого чугуна с максимальными размерами 400X400X400 мм. В состав системы входят восемь многоцелевых станков с инструментальными магазинами на 144 места. В ГПС осуществляют фрезерование, растачивание, резьбонарезание метчиками и резцами (обработка ведется без охлаждения). Время обработки за один переход от 0,9 до 56 мин, а в среднем для большинства переходов 1 ... 3 мин. На станках предусмотрена возможность адаптивного управления по крутящему моменту, а по его изменению оценивать затупление режущего инструмента. Смена заготовки на рабочем столе станка производится за 1 мин.

В качестве инструментальных материалов используют твердые сплавы (30 %) и быстрорежущие стали (70 %), применяют резцы из кубического нитрида бора для чистового растачивания. Время цикла, совмещающего смену инструмента, его установку в рабочую позицию и поворот заготовки на станке, составляет 50 с. Каждый инструмент имеет расчетный период стойкости, например для быстрорежущих сверл 60 мин, по достижению которого он заменяется по команде ЭВМ.

Время нахождения заготовки на рабочем столе станка 1 ...4 ч, машинное время обработки 40 ... 80 % времени нахождения деталей в ГПС. Для управления используют шесть мини-ЭВМ: две машины управляют обработкой на станках, одна машина обслуживает измерительную станцию на участке установки, базирования и крепления заготовок, две другие машины соответственно решают задачи транспортирования банка данных. Шестая ЭВМ в условиях нормальной работы занята технологической подготовкой производства, при необходимости она может взять на себя функции каждой из пяти управляющих ЭВМ. ГПС обслуживают пять операторов, она обеспечила повышение производительности труда в 5 раз, освободив 100 работающих.

Изучение опыта эксплуатации этих трех ГПС, а также анализ литературных источников позволяет выделить их особенности и проблемы автоматизации обработки резанием.

Усредненная модель ГПС и организация технологических процессов обработки резанием в ней могут быть представлены в следующем виде. На одном станке ГПС можно реализовать от 4 до 25 переходов (в некоторых системах число переходов достигает 38 и более). Для каждого перехода используется, как правило, свой инструмент. В качестве инструментальных материалов применяют в 30 ... 40 % случаев твердые сплавы, в 60 ... 70 % — быстрорежущие стали. Применение керамики, синтетических сверхтвердых материалов и других незначительно.

Установка заготовки на новую рабочую позицию (станок) 1 ... 2,5 мин, время смены инструмента 0,75 ... 1 мин, машинное время перехода 1 ... 3 мин. Машинное время обработки 60 ... 80 % от времени, которое заготовка находится на станке. Однако суммарное время обработки несколько меньше — 50 ... 60 % времени нахождения заготовки в ГПС. Остальные 40 ... 50 % времени работающей системы приходятся на установку, ожидание и транспортирование заготовок.

Анализ литературных источников свидетельствует, что в них практически отсутствуют какие-либо сведения о методике и рекомендациях по назначению инструментальных материалов, оптимальных параметров инструмента и режима резания. Из опыта эксплуатации ГПС следует, что режим резания назначается, как правило, ниже нормативного на 70... 80 %. Кроме того, из-за большого объема применения быстрорежущих сталей скорость резания снижается еще более.

Обычно параметры режима резания назначают, исходя из расчетного периода стойкости инструмента 60 ... 120 мин, что характерно для универсального оборудования. На практике для каждого вида обработки (фрезерования, сверления, растачивания, зенкерования и т.д.) применяют свой постоянный режим, независимо от типоразмеров детали и размеров обрабатываемой поверхности. При обработке инструментом с постоянным режимом резания проще рассчитать его период стойкости.

Высокая стоимость ГПС и относительно небольшой планируемый срок их эксплуатации повышает такой показатель экономичности обработки.

В общей стоимости ГПС затраты на инструментальное обеспечение составляют 12 ... 15 %, в период эксплуатации доля инструментального обеспечения возрастает до 50 %, что увеличивает удельный вес затрат на инструмент в себестоимости обработки, однако в меньшей степени, чем влияние стоимости станко-минуты. В соответствии с указанными затратами экономический период стойкости обычно рекомендуется для режущего твердосплавного инструмента, работающего на универсальном станке, 60...120 мин, а для сложнофасонного 120... 180 мин, для инструмента на станках с ЧПУ 10 ... 12 мин. Следует ожидать, что экономический период стойкости инструмента для ГПС будет незначительно отличаться от аналогичного параметра для инструмента, работающего на станках с ЧПУ.

Таким образом, если экономичность обработки требует повышения уровня режимов резания в ГПС, то практика их эксплуатации входит в противоречие с ней. В качестве причин указанного подхода к назначению режимов резания обычно называют стремление повысить надежность обработки и, в частности, обеспечить гарантированный период стойкости. Это было бы убедительным доводом, тем более что системы диагностирования состояния режущего инструмента еще не стали обязательным элементом ГПС, если бы теория и практика обработки резанием не свидетельствовала об обратном [34]. Снижение периода стойкости инструмента уменьшает диапазон рассеяния периода и улучшает статистические характеристики разброса значений износа при постоянной стойкости. Увеличение скорости резания выводит процесс из зоны неустойчивого стружкообразования с наростом и вибрациями, повышая стабильность параметров физико-механического состояния поверхностного слоя и точности обработанной детали.

Ключевой проблемой автоматизации процессов механообработки в ГПС является надежность их функционирования. Надежность работы ГПС в большей степени определяется надежностью системы ЧПУ и управляющих вычислительных комплексов и в меньшей степени — надежностью механических систем обработки, так как гарантируемая наработка на отказ отечественных систем ЧПУ 320... 4000 ч, а управляющих вычислительных комплексов 320 ... 1800 ч [4].

В большинстве ГПС контроль затупления режущего инструмента осуществляется по расчетному времени его работы; назначается это время по нормативным справочникам и корректируется на основе статистических оценок эксплуатации инструмента. Такой подход не может гарантировать оптимальной эксплуатации режущего инструмента [54], о чем свидетельствует следующий анализ.

На основе изучения эксплуатации токарных резцов на пяти предприятиях были установлены различные причины потери их работоспособности. Наибольший удельный вес (32 %) составляли резцы, которые, обеспечив обработку заданной партии деталей, были сняты со станков в работоспособном состоянии и направлены на переточку (при этом степень их износа была меньше допустимой); 14 % резцов были сняты из-за износа более допустимого (период их стойкости оказался меньше, чем требовалось технологией). Для 25 % резцов потеря работоспособности произошла в результате поломок, 8 % резцов не обеспечивали заданный размер детали ввиду деформации режущей кромки. Только 5 % резцов имели оптимальный износ. Остальные 16 % отказа резцов имели нетипичные причины: повышенный уровень вибраций, ошибки обслуживающего персонала и т.п.

Приведенные данные подтверждают неправомерность снижения параметров режима резания для повышения работоспособности инструмента. Действительно, при пониженных значениях подачи и скорости резания период стойкости режущего инструмента возрастает, но также возрастает диапазон рассеяния периода стойкости при постоянном режиме обработки. В этом случае при заданном времени работы инструмента до его смены неизбежны существенное рассеяние характеристик его износа (по задней поверхности, размерного износа и др.) и, как следствие, принудительная смена инструмента, находящегося в работоспособном состоянии.

Повышение эффективности автоматизации механообработки тесно связано с научно обоснованным выбором инструментальных материалов, параметров инструмента и режима резания, которые отвечали бы требованиям производительности, экономичности, надежности и качества обработки. Решению этой же проблемы автоматизации должны способствовать разработка и внедрение надежных систем диагностирования процесса резания и, в частности, состояния режущего инструмента.

Для ГПС с переменным маршрутом прохождения заготовки наиболее сложная задача заключается в оптимизации загрузки станков. Для облегчения ее решения ЭВМ при проектировании операций механообработки стремятся обеспечить постоянное значение времени нахождения заготовки на каждой рабочей позиции (обычно не менее 1,5 ... 2 мин). Тем самым создают также предпосылки искусственного снижения режима резания. В этом случае решение проблемы эффективности автоматизации обработки заключается в совершенствовании методов оптимизации загрузки, математического и программного обеспечения, технических возможностей ЭВМ и системы управления.

Большинство известных ГПС ориентировано на обработку чугунных заготовок, когда образуется стружка скалывания, легко удаляемая из зоны обработки. Проблема автоматизации обработки заготовок из пластичных конструкционных материалов (сталей, алюминиевых, титановых и жаропрочных сплавов) стоит более остро, так как отсутствуют эффективные методы и средства борьбы со стружкозавиванием. От решения проблемы стружкозавивания и стружкодробления зависят дальнейшие масштабы автоматизации машиностроительного производства.

Научно обоснованный подход к управлению обработкой резанием в ГПС позволяет повысить эффективность их эксплуатации. Примером реализации такого подхода служат системы ГПС 800 и ГПС 1000 (FMS 800/1000. Их назначение - обработка корпусных и призматических заготовок с максимальными размерами до 800 и 1000 мм из чугуна, стали и легких сплавов. Обработка включает в себя фрезерование, сверление, зенкерование, развертывание, нарезание резьбы, прорезку пазов и окраску деталей.

ГПС 1000 состоит из четырех многоцелевых станков. Кроме того, в состав ГПС входят станция очистки заготовок, станции для их закрепления и переустановки, три роботизированных транспортных комплекса и др. Модульное управление ГПС производится двумя ЭВМ.

ГПС функционирует в три смены и имеет 16 человек обслуживающего персонала. Опыт эксплуатации ГПС 1000 при обработке до 4000 чугунных заготовок в год 26 типоразмеров от 500 до 1000 мм показал следующее. На одном станке обработка заготовки выполняется от 30 мин до 7 ч. Структура используемых для обработки инструментальных материалов включает до 85 % твердых сплавов, до 10 % быстрорежущих сталей и около 5 % Композита 01 (кубический нитрид бора).

Диагностика процесса резания выполняется по контрольному размеру детали, а состояния режущего инструмента - по силе тока двигателя привода главного движения. Через каждые 12 ч работы системы визуально проверяется весь режущий инструмент. Принудительная его смена производится вручную при достижении расчетной стойкости и автоматически при внезапном отказе (поломке). Колебания припуска (до 5 мм) на обработку заготовок учитываются на измерительной позиции с введением дополнительного рабочего хода.

Увеличение объема применения прогрессивных инструментальных материалов, диагностирование состояния режущего инструмента, применение программ оптимизации режимов резания для конкретных ситуаций позволило повысить экономичность обработки и сократить машинное время до 40 % в ГПС 1000 по сравнению с аналогичными станочными системами.

Однако отмеченные выше недостатки управления обработкой резанием в ГПС частично сохранились. В ГПС 1000 практически не наблюдаются отказы режущего инструмента при диагностировании их состояния го величине тока двигателя, что свидетельствует о заниженном уровне режимов резания. Режимы резания рассчитывают по нормативным справочникам, а затем по результатам эксплуатации корректируют в сторону уменьшения. Обработка чугунных деталей выполняется без охлаждения.