Тенденции развития металлорежущих станков

Технологические и экономические условия использования металлорежущего оборудования у потребителей разнообразны. Однако основное внимание, как потребителей, так и производителей всегда сосредоточено на постоянном повышении эффективности металлорежущих станков, которое невозможно без выполнения основных требований, предъявляемых к вновь проектируемому и создаваемому оборудованию: увеличение производительности обработки, повышение уровня точности, гибкости и надежности.

В последнее время повышенные требования к экологии и экономному использованию энергоресурсов обусловили появление еще двух направлений в развитии конструкции металлорежущих станков – создание экологически безопасных и энергосберегающих станков.

Главным, при соблюдении необходимых требований, остается максимальное снижение себестоимости обработки детали.

Увеличение производительности станков

Производительность – способность станка обеспечить обработку определенного числа деталей нужного количества в единицу времени с сохранением заданной точности и шероховатости.

Увеличение производительности оценивается сокращением штучного времени t_шт для конкретных изделий и операций

t_шт=t_оп+t_об,

где t_оп=t_о+t_в – оперативное время; t_о – основное время, затрачиваемое на непосредственное выполнение технологических операций; t_в – вспомогательное время, затрачиваемое на установку и снятие заготовки, смену инструмента, выполнение вспомогательных движений рабочих органов; t_об – время обслуживания станка.

Общая закономерность в машиностроении заключается в резком снижении оперативного времени за счет повышения уровня автоматизации и интенсификации режимов резания.

1. Повышение уровня автоматизации является одним из главных направлений сокращения штучного времени.

1.1. Наиболее эффективным методом является использование числового программного управления (ЧПУ). Статистика последних лет по большинству машиностроительных производств в различных отраслях показывает, что использование металлорежущих станков с ЧПУ взамен станков с ручным управлением дает многократное увеличение производительности труда вследствие существенного сокращения вспомогательного времени использованием различных манипуляторов, транспортно-накопительных устройств и роботов-загрузчиков.

П римером автоматизации изготовления деталей типа «диск» является гибкий производственный модуль (ГПМ) на базе токарного фронтального двухшпиндельного станка 1722ПФ30, мостового робота М20К и транспортно-накопительного устройства ТНУ-1 (рис. 1).

При оснащении такого ГПМ устройствами для автоматического зажима и автоматической смены инструмента и заготовки значение штучного времени при обработке, включающей токарные, фрезерные, сверлильные и резьбонарезные операции, сводится к минимуму.

К числу тенденций развития станков с ЧПУ относят концентрацию операций на одном станке и совмещение ряда операций во времени (одновременная обработка несколькими инструментами). Это позволяет производить комплексную обработку на одном станке все более сложных по конфигурации деталей при многократном сокращение оперативного времени и всего производственного цикла изготовления деталей, создавая экономию в производственных площадях и капитальных вложениях. Такие станки называются обрабатывающими центрами.

Пример концентрации операций при изготовлении сложной многоэлементной детали из пруткового материала – полная двусторонняя обработка детали небольших размеров (рис. 2) в двух соосных шпинделях на токарно-фрезерном центре фирмы INDEX-Werke GmbH & Co (Германия).

О бработка включает в себя все необходимые технологические операции. Перехват и закрепление заготовки для обработки противоположного торца осуществляются вторым шпинделем. При перехвате также производится и отрезка заготовки от прутка (рис. 3).

Обрабатывающий центр оснащен двумя 14-ти позиционными револьверными головки с 12 инструментами в каждой. При этом каждый шпиндель может обслуживаться либо одной револьверной головкой (рис 4) либо двумя одновременно (совмещение операций во времени) (рис. 5.)

1 .2. В последние годы разрабатывают станки с адаптивной (самонастраивающейся) системой управления, то есть системой, которая обеспечивает автоматическое приспособление процесса обработки заготовки к изменяющимся условиям обработки (непрерывно меняющимся режущим свойствам инструмента, неопределенности свойств всей технологической системы, разбросу припусков и твердости для каждой заготовки для обрабатываемой партии и др.). Адаптивные системы управления на основе получаемой информации, увеличивая или уменьшая толщину снимаемого с заготовки припуска, позволяют поддерживать постоянным предельное значение какого-либо заданного параметра обработки (например, силы резания или оптимальной точности).

2. Интенсификация режимов резания осуществляется увеличением скорости резания (высокоскоростное резание), толщины срезаемого слоя и суммарной длины режущих кромок. Это позволяет значительно снизить долю оперативного времени в штучном.

Высокоскоростное резание и увеличение толщины срезаемого слоя металла стало возможным с появлением новых высокоэффективных режущих инструментов на основе синтетических сверхтвердых материалов, режущей керамики, многокомпонентных твердых сплавов, порошковых высоколегированных быстрорежущих сталей, а также использованием эффективных износостойких покрытий.

Если говорить об увеличении суммарной длины режущих кромок, то сюда относятся точение многорезцовыми головками, зуботочение, шлицепротягивание, при шлифовальной обработке увеличивают диаметр и ширину шлифовального круга и т.п.

Для обеспечения возможности увеличения режимов обработки и совмещения операций станок должен иметь бóльшую мощность привода главного движения при широком регулировании частоты вращения во время рабочего цикла.

Повышение точности металлорежущих станков

Точность станков – один из основных показателей их качества. Традиционно точность металлорежущих станков обеспечивается соответствующей точностью изготовления его деталей, точностью их сборки и регулировки, а также жесткостью элементов, износостойкостью опор и направляющих, стабильностью формы и размеров базовых и корпусных деталей. При этом основное внимание уделяется точности движения формообразующих узлов металлорежущих станков.

К методам, повышающим точность станков, можно отнести:

- использование датчиков линейных и угловых перемещений с высокой разрешающей способностью в режиме обратной связи с приводом микроперемещений;

- активный контроль погрешностей готовых изделий с автоматической подналадкой станка;

- снижение влияния температурных деформаций на погрешность обработки;

- использование инструментальных материалов с высокоизносостойкими покрытиями, обеспечивающих минимальный размерный износ;

- использование эффективных смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС).

Повышение точности вышеперечисленными методами не ограничивается.

Гибкость металлорежущих станков

Под гибкостью станочного оборудования понимается способность к быстрому переналаживанию металлорежущих станков на изготовление различных изделий заданной номенклатуры или для выполнения разных технологических операций применительно к конкретным требованиям меняющейся производственной ситуации у потребителей при серийном производстве без модернизации оборудования.

Основным методом повышения гибкости является унификация и агрегатно-модульный принцип построения конструкций. Под унификацией понимается использование в различных станках одинаковых деталей и узлов. Агрегатно-модульный принцип конструирования, как дальнейшее развитие унификации, – сборка станков на основе унифицированных (стандартизованных) узлов и элементов. Обычно это универсальные инструментальные головки, столы, бабки и прочие узлы, позволяющие использовать один и тот же станок в разнообразных технологических вариантах. Пример модульного конструирования представлен на рис. 1.6. Среди основных узлов: I – система управления; II – передняя бабка; III – продольная каретка суппорта;IV – нижняя часть задней бабки; V – станина. Среди набора модулей выделены: 1 – револьверная головка; 2 – дисковые револьверные головки с невращающимися инструментами; 3 – дисковая револьверная головка с приводными инструментами; 4 – многорезцовые державки; 5 – пинольные резцедержатели; 6 – зажимная опора для борштанги; 7 – шлифовальная головка для внутреннего шлифования; 8 – шлифовальная головка для внешнего шлифования; 9 – сверлильно-фрезерные силовые головки; 10 – силовая головка для глубоко сверления; 11 – смазочно-охлаждающие системы; 12 – система стружкоотвода;

- оснащение широким набором разнообразных приспособлений, расширяющих технологические возможности станков, например, многошпиндельные сверлильные и резьбонарезные головки, быстросверлильные головки, специальные зажимные устройства;

- использование систем с ЧПУ, что создает хорошие возможности для расширения технологических возможностей металлорежущих станков.

Надежность металлорежущих станков

Надежность характеризует свойство данного изделия сохранять требуемые показатели качества, в первую очередь точность выпускаемой продукции, в течение всего периода эксплуатации. Нарушение работоспособности называется отказом.

Существует несколько способов обеспечения высокой надежности металлорежущих станков:

- применение высоконадежных систем управления и элементов приводов;

- повышение надежности функционирования механических элементов металлорежущих станков и станочных систем, прежде всего формообразующих узлов (подшипниковых опор, направляющих, делительных механизмов, различных передач), при использовании новых материалов и покрытий, надежной защиты узлов от СОЖ и стружки;

- снижение динамических нагрузок уменьшением перемещающихся масс, применением разнообразных демпферов;

- использование надежных систем смазывания трущихся пар и мощных систем фильтрации СОЖ;

- использование эффективной системы диагностики и индикации отказов, обеспечивающей существенное снижение времени профилактики и устранении отказов;

- осуществление своевременных профилактических и регламентных работ по поддержанию нормального функционирования металлорежущих станков.

Все выше перечисленные способы повышения надежности невозможны без использования высококвалифицированного персонала.

Экологически безопасные станки

В ответ на растущую необходимость сокращения до минимума загрязнения окружающей среды производители металлорежущего оборудования предусматривают на станках «кабинетную защиту», которая предполагает освобождение производственной зоны от вредных выбросов, таких как смазочно-охлаждающая технологическая среда (СОТС), масляный туман, пыль, стружка, запахи, а также уменьшение уровня шумов, вибрации и электромагнитных волн, путем полного закрытия всей рабочей зоны и основных механизмов герметичными кожухами. Для отвода отходов и вредных паров предусматриваются специальный насос и шланг (рис.7), связанный с цеховой системой очистки воздуха.

Вторым направлением по созданию экологически безвредных станков – металлообработка без применения СОТС. Основанием является:

- увеличение себестоимости продукции. Применение СОТС требует использования специальных очистных сооружений, необходимых для утилизации СОТС, наличие производств для их приготовления, систем транспортировки, регенерации, а также необходимость обезжиривания стружки и обработанных поверхностей (затраты на жидкую СОТС достигают порой 30% общих затрат на металлообработку);

- требования охраны окружающей среды при использовании СОТС;

- опасность для здоровья рабочего коллектива;

- возможность коррозии материала при контакте с СОТС;

- тенденции развития альтернативных решений без использования СОТС (экологически чистые электронно-ионные технологии, основанные на подаче в зону резания ионизированного и озонированного воздуха).