Лекции / 2.технико-экономические показатели и критерии работоспособности

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ. КРИТЕРИИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ

1. Технико-экономические показатели металлорежущих станков

Технический уровень продукции машиностроения, в том числе станков, определяется как совокупность свойств конкретного изделия, включающих показатели функционального назначения, общественно полезного эффекта, уровня всех видов затрат, а также потребительских и экономических характеристик. Эти показатели включаются в техническое задание на разработку нового оборудования.

Стандартом ГОСТ 4.93-86 предусмотрено применение восьми групп показателей. Каждая группа содержит, как правило, несколько показателей, позволяющих количественно и качественно охарактеризовать те или иные свойства изделия, формирующие его технико-экономический уровень.

1. Показатели назначения характеризуют технологические возможности станка. Применяют следующие показатели назначения.

1.1. Характеристики основных и вспомогательных перемещений, такие как наибольшее перемещение рабочих органов, дискретность перемещения, точность позиционирования, количество управляемых осей координат, число одновременно управляемых осей координат.

1.2. Характеристики рабочих и установочных перемещений – пределы частот вращения, рабочих подач, скоростей установочных перемещений подвижных органов станка.

1.3. Силовые характеристики станка – наибольший крутящий момент на шпинделе и мощности приводов главного движения (движения резания) и подач;

1.4. Габаритные размеры и масса станка.

1.5. Производительность обработки. Для оценки станочного оборудования используются различные показатели производительности, наиболее распространенным из которых является штучная производительность (шт./год). Она выражается числом деталей, изготовленных в единицу времени при непрерывной безотказной работе:

, (1)

где Т₀ – годовой фонд времени; Т – время цикла изготовления детали.

При изготовлении разных деталей определяют среднее время изготовления ряда из них и находят производительность обработки «усредненной» детали.

1.6. Показатели точности обработки и шероховатости. Точность обработки (погрешность размеров, отклонения поверхностей, отклонение формы, волнистость) и шероховатость в основном обусловлены точностью станка. К погрешностям, влияющим на точность станка, относят погрешности: формообразования; технологические; геометрические; позиционирования; кинематические; динамические; упругие; температурные; погрешности, связанные с инструментом.

Среди погрешностей формообразования можно отметить ошибки, связанные с аппроксимацией траектории δ (рис. 1, а) и интерполяцией; ошибки настройки Δβ, например, подбора колес гитары дифференциала при обработке косозубых колес (рис. 1, б) и т.п.

К технологическим погрешностям относят погрешности базирования и закрепления заготовки и инструмента.

Геометрические погрешности характеризуют ошибки взаимного расположения узлов станка и зависят от точности изготовления узлов и сборки станка. Геометрические погрешности станка оценивают по их влиянию на точность взаимного расположения заготовки и инструмента.

Погрешности позиционирования являются специфическими для станков с ЧПУ. Они определяют разность между требуемым и фактическим положением узла при его перемещении. Здесь решающее влияние оказывает привод, измерительная система, трение в направляющих перемещаемого узла.

Кинематические погрешности складываются вследствие ошибок в передаточных числах зубчатых, червячных и винтовых передач кинематической цепи из-за неточности изготовления элементов привода и переменной жесткости.

Динамические погрешности возникают от колебаний различных видов. Сопровождаются тремя видами колебаний:

- вынужденными колебаниями, вызываемыми внешними периодическими силами (неуравновешенностью вращающихся деталей, например, при дисбалансе е обрабатываемой детали 1 (рис. 2, а); погрешностью изготовления передач; прерывистым процессом резания и т.п.);

- автоколебаниями (самовозбуждающимися) колебаниями, являющимися наиболее распространенными в станках (возмущающие силы вызываются самими колебаниями, например, при растачивании отверстия заготовки 1 возникают автоколебания с амплитудой А на собственной частоте f₀ вследствие неоднородности материала, неравномерной жесткости, различной величины снимаемого припуска, рис. 1.2, б).

- параметрическими колебаниями при наличии переменного параметра, аналогичного действию изменяющейся силы (различная податливость δ₁ и δ₂ колец подшипников различных типов в зависимости от угла поворота φ, рис. 2, в);

Свойство станка противодействовать возникновению колебаний называется виброустойчивостью.

Упругие погрешности возникают из-за деформаций несущей системы станка и нарушают правильность взаимного расположения инструмента и обрабатываемой заготовки при действии силовых факторов.

Несущей системой называется совокупность базовых деталей (станины, основания, стола, суппорта, стойки и т.д.).

Причиной температурных погрешностей является неравномерный нагрев узлов станка при работе привода в процессе обработки детали, а также изменение температуры помещения. При этом изменяется положение заготовки и инструмента. Они учитываются только в прецизионных станках.

Погрешности инструмента связаны с его износом, ошибкой изготовления и неточностью его установки.

1.7. Гибкость, как способность станочного оборудования к быстрому переналаживанию для выполнения разных технологических операций.

1.8. Показатели технического совершенства, которые определяют, во-первых, степень автоматизации, то есть наличие средств автоматизации (таких, как автоматическая подача заготовки, автоматическая смена инструмента и заготовки и т.д.); во-вторых, оснащенность станка дополнительными устройствами и приспособлениями (указывается их перечень), расширяющими технологические возможности станка.

Степень автоматизации определяет, в какой мере обработка детали на станке осуществляется автоматически, без участия оператора и обслуживающего персонала. Оценка степени автоматизации может быть произведена на основе отношения времени автоматических операций ко всему времени обработки детали

, (2)

где t_автi – время каждой из n операций, выполняемых автоматически;

Т – полное время цикла обработки детали.

2. Показатели надежности характеризуют безотказность, долговечность и ремонтопригодность станка.

Период времени, в течение которого работает данный объект (станок, механизм, узел), исчисляют либо в отработанных, либо в календарных часах.

Безотказность, как свойство станка непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени, может быть оценена следующими критериями.

Вероятность отказа по результатам испытаний N_О элементов, из которых отказали N_ОТ=N_O – N_И, а N_И оказались исправными, определяют по формуле

Q(t)= . (3)

Вероятность безотказной работы

P(t)=1 – Q(t)= . (4)

Долговечность – свойство станка сохранять работоспособность в течение всего периода эксплуатации (до предельного состояния) при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Ремонтопригодность станка – способность предупреждения, обнаружения и устранения причин возникновения отказов и повреждений путем проведения ремонтов и технического обслуживания.

3. Показатели экономного использования материалов и электроэнергии характеризуют экономичность по расходу материала при производстве станов и экономичность по расходу электроэнергии при их эксплуатации. К этим показателям относятся удельная масса металла и удельный расход электроэнергии.

4. Эргономические показатели отвечают за соответствие станка физическим возможностям человека, приспособленность станка к условиям эксплуатации с учетом требований санитарных норм (уровень звука на рабочем месте; корректированный уровень звуковой мощности).

5. Показатели технологичности характеризуют трудоемкость изготовления станка.

6. Показатели стандартизации и унификации характеризуют ремонтопригодность станка и экономичность его изготовления, достигаемые за счет применения унифицированных деталей и узлов.

7. Патенто-правовые показатели – показатели патентной чистоты и патентной защиты.

8. Показатели безопасности, характеризующие обеспечение защиты человека, находящегося в непосредственной близости от станка.

В зависимости от характера решаемой задачи сравнение станков одного технологического назначения можно проводить по любому из приведенных в стандарте показателей, но для получения укрупненной комплексной оценки станков ограничиваются применением основных показателей, к которым относятся показатели назначения, показатели надежности, показатели экономного использования материалов и электроэнергии.

2. Критерии работоспособности металлорежущих станков

В процессе эксплуатации станочное оборудование подвергается разнообразным внешним и внутренним воздействиям, которые делят на следующие группы:

- движущие силы и моменты, вызванные работой двигателей и приложенные к ведущим звеньям приводов станка;

- силы и моменты полезного сопротивления – силы резания и другие силовые факторы рабочих процессов. Приложены в зоне резания или в рабочей зоне к инструменту и заготовке, а через них – к звеньям станка, которые называют ведомыми (шпиндель, суппорт, стол и т.д.);

- силы и моменты вредных сопротивлений – силы трения, сопротивление среды. Приложены в местах контакта звеньев станка со средой или другими звеньями и направлены против движущих сил. Оказывают решающее воздействие на тепловой режим станка;

- силы тяжести (вес) действуют на все детали станка;

- силы упругости деформируемых звеньев станка;

- силы взаимодействия между звеньями станка или механизма (в кинематических парах).

- динамические силы, в том числе силы инерции, и моменты инерционных сил. Роль этих сил возрастает с ростом ускорений.

Станки подвергаются также воздействиями химической и электромагнитной энергии.

Основной задачей при проектировании станка является создание работоспособной конструкции с высокой сопротивляемостью по отношению к воздействию различных процессов, изменяющих его выходные параметры.

Основными критериями работоспособности станка являются: геометрическая и кинематическая точность; жесткость; теплостойкость (сопротивляемость температурным деформациям); виброустойчивость; износостойкость; коррозионная стойкость; сопротивляемость усталости; сопротивление короблению.

1. Геометрическая и кинематическая точность станка характеризует точность перемещения его формообразующих узлов без силовых и тепловых воздействий. Поэтому эти характеристики, как упоминалось ранее, связаны в основном с точностью изготовления и сборки станка, то есть с технологическими факторами.

2. Жесткость – способность системы сопротивляться появлению упругих перемещений δ (деформаций) под действием внешних силовых факторов F и определяется как отношение приращения силы dF к приращению перемещения dδ

. (5)

Угловая жесткость – это отношение приращения момента dM к приращению угловой деформации dφ, вызванной действием момента

. (6)

Одним из основных методов улучшения динамических характеристик является повышение жесткости конструкции. Это реализуется путем: применения рациональных сечений деталей; создания предварительного натяга (в направляющих трения качения и подшипниках); уменьшения числа элементов и стыков.

3. Теплостойкость – способность станка сохранять значения выходных параметров в заданных пределах в результате температурных деформаций. Можно отметить следующие способы повышения теплостойкости (компенсации тепловых деформаций).

а) Использование систем охлаждения, стабилизация температуры масла и охлаждения наиболее важных узлов станка, например, шпинделя наиболее распространено в точных станках.

б ) Теплоизоляция характерна для энергоемких узлов, например, коробок скоростей 1 (рис. 3).

в) Выбор материала деталей с низким коэффициентом теплопроводности, например, полимер-бетона при изготовлении станин.

г) Создание термосимметричных конструкций (рис. 4, а, б) или применения тепловых щитов 4 (рис. 4, в) (характерно для крупных деталей).

д ) Термосимметричность означает равенство условий протекания теплового деформирования станины (рис. 1.4, а) за счет толщин стенок t₁≈t₂. Во втором случае (рис. 4, б) равенство теплового деформирования слева и справа от оси шпинделя достигается за счет геометрических параметров конструкции (А≈В), мощности и места расположения источников тепловыделения 2 и 3.

е ) Рациональное закрепление деталей. На рис. 5 показаны примеры различной фиксации в осевом направлении ходового винта 1 привода подачи суппорта. В варианте на рис.5, а в отличие от варианта, представленного на рис. 5, б, направление тепловых смещений шпинделя Δ_Ш и инструмента Δ_И совпадают, что способствует повышению точности вследствие их взаимной компенсации.

ж) Применение статически определимых систем (рис. 6). Избыточные связи при температурных деформациях (штриховая линия) возникают по граням 1 и 2 (рис. 6, а), что исключено во второй схеме (рис. 6, б).

з) Существенным шагом в развитии методов компенсации является использование «тепловых труб». Действие основано на перекачивании теплоты от сильно нагретых узлов (деталей) к менее нагретым.

На рис. 7, а приведена схема вертикального плоскошлифовального станка, у которого в станине расположен сильно действующий источник 1 тепловых возмущений. Действие источника таково, что тепловой поток подогревает переднюю стенку стойки. В результате разницы температур передней и задней стенок возникают деформации, изменяющие точность взаимного расположения формообразующих узлов (рис. 7, б).

Для уменьшения разности температур стенок создают тепловой канал 2, по которому нагретый воздух отводится наружу, при этом нагревая заднюю стенку.

М ожно отметить, что выше перечисленные методы не являются единственными.

4. Виброустойчивостью понимается способность станка работать в требуемом диапазоне режимов без недопустимых колебаний.

Повысить виброустойчивость можно путем перераспределения масс внутри станка. Следует уменьшить массу тех узлов, в которых ожидаются максимальные амплитуды. Эффективным способом улучшения виброустойчивости является повышение демпфирования. Оно достигается применением гидростатических направляющих и направляющих скольжения, расположением стыков и направляющих перпендикулярно основным формам колебаний, за счет использования новых материалов.

5. Износостойкость. Большое число станков и их деталей выходят из строя вследствие износа.

Изнашивание – процесс разрушения и отделения материала с поверхности твердого тела.

Приведем некоторые примеры методов уменьшения влияния износа на работоспособность станка.

а) Создание конструкций, износ которых минимально влияет на выходные характеристики. На рис. 8 показаны различные схемы расположения направляющих токарного станка. Учитывая, что износ направляющих скольжения линейно возрастает от удельного давления, наиболее надежными оказываются направляющие, у которых широкая грань перпендикулярна результирующей силе F_, которая складывается из веса G узла и радиальной составляющей силы резания.

П ри воздействии результирующей силы F_ грани направляющей по-разному влияют на точность размера d. В первой схеме (рис. 8, а) износ ₁ узкой грани 1 оказывает большее влияние на точность, чем износ ₂ во второй схеме (рис. 8, б), где сказывается, в основном, износ широкой грани 2.

б) Применение бесконтактных передач, например, электромагнитной передачи винт-гайка.

в ) Правильный выбор трущихся пар – сочетать твердый материал с мягким (сталь-бронза, сталь-пластмасса) или твердый с твердым (азотированные с закаленными сталями и т.п.). Избегать сочетания мягких и одинаковых материалов (сталь-сталь, пластмасса-пластмасса).

г) Защита рабочих поверхностей пар трения от загрязнения.

д) Своевременная замена масла.

е) Правильное назначение шероховатостей.

з) Обеспечение совершенного трения – применение гидростатических и аэростатических направляющих, направляющих трения качения. На рис. 9 показаны гидростатические направляющие, в которых разделение соприкасающихся поверхностей подвижного 1 и неподвижного узлов 2 достигается за счет подачи в канавки I и II масла под давлением.

6. Коррозионная стойкость к внешним воздействиям. Данный критерий связан главным образом с недопустимыми методами эксплуатации, транспортирования и хранения станков. Коррозия может появляться также при плохом составе СОЖ.

7. Сопротивление усталости. Усталостные разрушения возникают при переменных нагрузках (например, при прерывистости резания) и характерны для условий работы валов, подшипников и направляющих качения, зубчатых передач.

8. Коробление характерно для станин и крупных корпусных деталей.