АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА
ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
ГПС МЕХАНООБРАБОТКИ
Учебное пособие
Москва 2013
Разработано в соответствии с Государственным образовательным стандартом ВПО
2000г.для подготовки инженеров по специальности 151001.65 “Технология машиностроения”,магистров направления 151900.68 по профилю “Технология машиностроения”, 220700.68 и профилю “Автоматизация технологических процессов и производств” и специалистов по направлению 151701.65 “Проектирование технологических машин и комплексов”.
Рецензенты:
Профессор кафедры “Технология машиностроения” Университета машиностроения
В.Н.Балашов.
Д.т.н., профессор кафедры “Технология конструкционных материалов” Университета машиностроение В.А.Кузнецов
Учебное пособие выполнено на кафедре «Технология машиностроения» и предназначено для инженеров по специальности 151001.65 “Технология машиностроения”, магистров направления 151900.68 по профилю “Технология машиностроения” и направлению 220700.68 и профилю “ Автоматизация технологических процессов и производств” и специалистов по направлению 151701.65 “Проектирование технологических машин и комплексов” Шакиров А.М., - М., Университет машиностроения, 2013 - 40 с.
Приведены рекомендации по проектированию АСИО ГПС. Сформулированы требования к режущим инструментам, показаны методы расчета потребного количества режущих и вспомогательных инструментов, описаны схемы инструментооборота, способы настройки и кодирования инструмента, приведены типовые организационно-планировочные решения ОНИ ГПС. В Приложениях показаны конструкции кассет для хранения и транспортирования инструментов, стеллажи для хранения инструментов.
© Шакиров А.М. 2013
© Университет машиностроения, 2013
В учебном пособии приведены рекомендации по созданию АСИО ГПС. Сформулированы требования к режущим инструментам, показаны методы расчета потребного количества режущих и вспомогательных инструментов, описаны схемы инструментооборота, способы настройки, кодирования, транспортирования и замены режущих инструментов, приведены типовые организационно-планировочные решения ОНИ ГПС. Показаны типовые комплекты инструментов для станков с ЧПУ, конструкции кассет для хранения и транспортирования инструментов, стеллажи для хранения инструментов. Учебное пособие предназначено для инженеров по специальности 151001.65 “Технология машиностроения”, магистров направления 151900.68 по профилю “Технология машиностроения” и направлению 220700.68 и профилю “Автоматизация технологических процессов и производств”, а также для инженерно-технических работников машиностроительных предприятий и научно-исследовательских институтов связанных с созданием и внедрением ГПС.
ПРИНЯТЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
АСУ - автоматизированная система управления
АСУ ТП - автоматизированная система управления технологическим процессом
АС ТПП - автоматизированная система технологической подготовки производства
АСИО - автоматизированная система инструментального обеспечения
АСУП - автоматизированная система управления предприятием
АСНИ -автоматизированная система научных исследований
АСУО - автоматизированная система удаления отходов
АТСС - автоматизированная транспортно-складская система
ВТА - видеотерминал
ГАЛ - гибкая автоматизированная линия
ГАУ - гибкий автоматизированный участок
ГАЦ -гибкий автоматизированный цех
ГПМ - гибкий производственный модуль
ГПС - гибкая производственная система
ИРК - инструментально-раздаточная кладовая
ЛСУ - локальная система управления
МР - методические рекомендации
ОЦ - обрабатывающий центр
ОЗУ - оперативное запоминающее устройство
ОКР - опытно-конструкторские работы
ОТК - отдел технического контроля
ПО - программное обеспечение
ПР - промышленный робот
ПК - программируемый контроллер
ПМ - промышленный манипулятор
РТК - робототехнический комплекс
РТМ - руководящий технический материал
САПР - система автоматизированного проектирования
САК - система автоматизированного контроля
СОЖ - смазочно-охлаждающая жидкость
ТО - технологическое оборудование
ТЗ - техническое задание
ТП - технический проект
ТЭО - технико-экономическое обоснование
ТЭП - технико-экономические показатели
УВК - управляющий вычислительный комплекс
УП - управляющая программа
ЧПУ - числовое программное управление
ЭВМ - электронно-вычислительная машина
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 5
1 Режущие инструменты на станках с ЧПУ в ГПС 6
1.1 Конструктивные особенности режущих инструментов 6
1.2 Применение режущих инструментов из СТМ и керамики 14
1.2.1 Инструменты из СТМ 14
1.2.2 Инструменты из керамики 16
2.Контроль состояния режущих инструментов 16
3.Расчет потребного количества режущих и вспомогательных инструментов 20
4.Инструментооборот на ГПС 22
5.Настройка режущих инструментов на ГПС
5.1 Приборы для настройки инструментальных комплектов 23
5.2 Хранение инструментальных комплектов 25
5.3 Перемещение инструментальных комплектов 25
5.4 Типовые планировочные решения ОНИ 26
Список литературы 29
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1. Стеллаж для хранения инструмента. Модель СРЗ 721.27 31
Приложение 2. Стеллаж для хранения шлифовальных кругов. Модель СМЗ 721.90 31
Приложение 3 Стеллаж инструментальный. Модель СМЗ 723.17 32
Приложение 4. Стеллаж для торцовых фрез. Модель СМЗ 723.20 32
Приложение 5. Стеллаж для протяжек. Модель СМЗ 723.18 33
Приложение 6. Шкаф инструментальный. Модель СМЗ 711.01 33
Приложение 7. Шкаф. Модель СМЗ 712.27 34
Приложение 8. Шкаф для хранения оправок и длинномерного инструмента.
Модель СМЗ. 712.21 34
Приложение 9. Тележка со сменной оснасткой. Модель СР 4185.06 35
Приложение 10. Кран - штабелер 35
Приложение 11 Транс-робот 36
Приложение 12 Электротележки-роботы 36
Введение
Современное машиностроительное производство характеризуется быстрой сменой
объекта производства, увеличением номенклатуры и уменьшением объемов производств,
требованиями повышения производительности обработки.
При этом, одним из направлений решения данных задач является комплексная автоматизация процессов механической обработки. В условиях серийного производства наиболее эффективным способом автоматизации является применение станков с ЧПУ объединенных АТСС и системами обеспечения функционирования в виде ГПС.
Применение станков с ЧПУ в 2-3 раза сокращает время пребывания деталей в цехе. При этом доля основного технологического времени повышается с 43% до 75%, за счет снижения доли вспомогательного и подготовительно-заключительного времени. Однако,
коэффициент загрузки станков с ЧПУ составляет 40-50%, из-за потерь по организационно-техническим причинам, при этом коэффициент сменности составляет лишь 0,79. Для повышения эффективности использования станков с ЧПУ необходимо:
- Повышать уровень автоматизации станков за счет применения манипуляторов, при станочных накопителей, повышения надежности и быстродействия систем ЧПУ;
- Увеличивать степень концентрации технологических операций совмещая на станках операции точения- сверления – фрезерования – растачивания – зубообработки и другие специальные методы, включая контроль и диагностику
состояния технологической системы СПИД;
- Повышать производительность и надежность станков;
- Применять безлюдную технологию.
- Интенсифицировать режимы резания за счет повышения жесткости и мощности станков, применения инструментов оснащенных пластинками из керамики и СТМ;
- Повышать скорости холостых ходов (до 15 м/мин);
- Сокращать время на смену инструментов и подготовку инструментальных комплектов.
При этом, основными задачами АСИО ГПС являются:
- получение от АСУ ГПС заданий на подготовку инструментальных комплектов;
- настройка, кодирование и складирование инструмента в ОНИ ГПС;
- доставка инструмента к ГПМ;
- управление и связь с инструментальными участками цеха.
Данное пособие составлено на опыте создания и эксплуатации ГПС механообработки
на отечественных и зарубежных предприятиях.
1. Режущие инструменты для станков с ЧПУ в ГПС
1.1 Конструктивные особенности режущих инструментов
Повышение требований к производительности, надежности к безлюдности обработки
непосредственно связано с конструкцией режущего инструмента, материалом режущей
части, способа крепления, хранения, замены и диагностики инструмента на станке.
Значительные затраты на создание и эксплуатацию ГПС требуют выбора или проектирования высокоэффективного режущего инструмента, наиболее полно отвечающего условиям безлюдного производства.
К режущим инструментам, в ГПС предъявляются дополнительные требования:
- модульность (блочность) конструкции;
- возможность предварительной размерной настройки инструментального комплекта
вне станка;
- универсальность;
- быстросменность инструментального комплекта на станке;
- возможность автоматической под настройки и регулирования от системы УЧПУ
станка;’
- повышенная жесткость и стабильность стойкости инструмента;
- инструмент, полученный с предприятий Минстанкопрома необходимо проверять
на качество заточки и при необходимости производить доводку на участке центра-
лизованной заточки и доводки режущего инструмента;
- инструменты из твердых сплавов и быстрорежущих сталей напылять износостойкими
покрытиями.
Режущий и вспомогательный инструмент, применяемый на станках с ЧПУ подразделяется на специальный и стандартный. Стандартный инструмент применяется
на токарных, сверлильных, фрезерных и расточных станках. На станках сверлильно-фрезерно-расточной группы крепление инструмента в шпинделе в основном производится
хвостовиком с наружным конусом 7:24(по ГОСТ 25827-93 исполнения 2 или 3). Во всем мире наиболее распространено исполнение 2, что соответствует немецкому стандарту DIN 69871/A+AD и ISO 7388/1 и японскому стандарту MAS403BT. В зависимости от типоразмера станка применяются конусы 40 или 50. В Японии и США также используют для крепления оправки с цилиндрическим хвостовиками диаметром 50…60 мм.
К комплекту режущих инструментов предъявляют следующие основные требования:
1.Виброустойчивость и жесткость;
2.Минимум инструментального комплекта;
3.Возможность регулирования режущей части инструмента в осевом и радиальном направлениях;
4.Удобство в обслуживании и ремонте.
На станках сверлильно-фрезерно-расточной группы применяют унифицированные комплекты инструментов, что обеспечивает взаимозаменяемость и сокращает номенклатуру (рис. 1.1). В комплект инструментов входят оправки с хвостовиком 7:24. В данном комплекте предусмотрено крепление: торцовых фрез с продольными или торцовыми шпонками; инструментов с цилиндрическим хвостовиком в цанговых патронах. Концевые фрезы крепятся с помощью патронов с боковым прижимом винтами. Нерегулируемыми переходными втулками крепятся инструменты с конусом Морзе. Для обработки отверстий диаметром 45 – 350 предусмотрены расточные головки [31,32].
Для станков с ЧПУ в условиях ГПС большое значение имеет эффективность работы расточных инструментов. Это обусловлено требованиями высокой точности обработки,
необходимостью обработки отверстий различных диапазонов диаметров, возможностью
обработки конических отверстий при одновременной подрезке торцов или расточке канавок.
Анализ станков с ЧПУ показывает, что одними функциями УЧПУ невозможно выполнить коррекцию режущей части расточных инструментов. В этой связи предлагаются различные конструкции расточных инструментов, оснащенных механизмами работающими по команде от УЧПУ. Данные инструменты по величине регулировочного хода классифицируют на две группы. На рис.1.2 показан пример конструкции расточной головки фирмы “Мицуи Сэйки” (Япония) [1], в которой режущая часть корректируется в соответствии с частотой оборотов шпинделя. Величина импульса коррекции инструмента составляет 0.002 мм/диаметр. Максимальная величина хода вершины инструмента 0,1 – 0,5 мм, поэтому они применяются для чистовой обработки.
Принцип работы регулируемой головки основан на упругой деформации насадной части под действием клинового механизма. При подаче сжатого воздуха установочным штифтом задвигается встроенная муфта, а под действием вращательного движения шпинделя, передаваемого через редуктор, встроенный в корпусе устройства коррекции, смещается штанга коррекции. Величина коррекции контролируется путем считывания числа шпинделя с помощью сенсорного выключателя.
Фирмой “Хюллер Хилле ГмбХ” разработана система расточного инструмента “Аутобор”
и математическое обеспечение, позволяющее компенсировать износ режущей кромки и
регулировать радиальный вылет инструмента до 0,25 мм/диаметр [2], рис.1.3 и рис. 1.4. Величина перемещения резца за один импульс составляет 0,0025 мм/радиус. Перемещение режущей части инструмента производится при срабатывании ползуна 8 в ручную или автоматически (ход 3-5 мм).
Рис. 1.1 Комплект унифицированной оснастки для станков с ЧПУ
сверлильно - фрезерно - расточной группы
.Рис 1.2 Схема конструкции расточной оправки фирмы “Мицуи Сейки” (Япония):
1 – упругая часть; 2 – клин; 3 – кожух; 4 – хвостовик; 5 – установочный
штифт; 6 – привод; 7 – зубчатое колесо; 8 – кольцевое зубчатое колесо;
9 – упорный штифт; 10 – резец.
Рис 1.3 Расточные инструменты “Аутобор” фирмы “Хюллер Хилле ГмбХ” (Германия)
Рис 1.4 Корпус расточной оправки “Аутобор” (1-винт; 2-крышка; 3,7-гайка; 4-ползун;
5-корпус оправки; 6-гайка; 7 –храповик; 9-шток.
Вторая группа характеризуется большим ходом инструмента – 20 …50 мм/радиус. На рис.1.5 представлена конструкция расточной головки “Биг – Диндрэа” [3]. В корпусе
расточной оправки встроен дифференциальный зубчатый механизм, позволяющий перемещать салазки расточной головки при вращении шпинделя. Наличие муфты,
соединяющей приводной блок с дифференциальным зубчатым механизмом, позволяет менять расточные головки. В приводной блок встроен серводвигатель постоянного тока, импульсное кодирующее устройство, микровыключатели контроля исходной точки и конца хода. Особенностями данной конструкции являются: высокая точность повторения
перемещений (до 0.005 мм) при большом ходе салазок (до 50 мм) и малой величине импульс-перемещения – 0,001 мм/импульс/диаметр; возможность растачивания конических и подрезки торцовых поверхностей; автоматическое изменение диаметра расточки при использовании устройств для автоматического контроля и коррекции.
Анализ ГПС механообработки, показывает, что более 75% систем предназначены для обработки деталей типа тела вращения. Учитывая, что емкость револьверной головки токарных станков с ЧПУ ограничена - (6 – 12) позиций, представляют большой интерес конструкции системы инструментального обеспечения блочного типа.
Концерн “Сандвик” [3], разработал блочную конструкцию резцовых головок, позволяющих автоматизировать их смену (Рис. 1.6). Наличие точно изготовленных –
V – образного и цилиндрического пазов обеспечивает высокую стабильность базирования резцовой головки (точность ± 2 мкм по оси X и ± 5 мкм по осям Z и Y), а силовое замыкание (Р = 25 кН) исключает зазоры в соединении и обеспечивает жесткость конструкции. Резцовая головка зажимается тарельчатыми пружинами, а разжимается
штоком гидроцилиндра или вручную винтом, сжимающим тарельчатые пружины. Для
хранения необходимого запаса резцовых головок в конструкции станка предусмотрены инструментальные магазины барабанного типа с манипулятором. Так как предварительная настройка резцовых блоков вне станка не предусматривается, то при ручной смене головки вводят коррекцию в систему УЧПУ станка, а при работе в автоматическом режиме – автоматически измеряют координаты вершины режущей части блока после каждой смены, используя измерительные щупы типа “ Варилок” или “Ренишоу” К недостаткам данных конструкций следует отнести возможное загрязнение
базовых поверхностей пазов при обработке чугунных заготовок. Данный недостаток
устраняется обильной подачей СОЖ на базовые поверхности пазов при смене резцовых головок. Данные системы блочных инструментов внедрены на токарных станках фирм - “Окима” (Япония), “ Георг Фишер АГ” (Швейцария), “Питлер” (Германия).
Фирмой Хертел (Германия), разработана гибкая система инструментальной оснастки
состоящей из зажимного устройства цангового типа и инструментальной вставки
(Рис.1.7). Наличие торцевых зубьев и цангового гидрофицированного зажима обеспечивает требуемую точность и жесткость соединения. Данная схема крепления инструментальных вставок разработана всей гаммы лезвийных инструментов. Хранение
инструментальных вставок предусмотрено в инструментальных магазинах: барабанного,
дискового или цепного типа.
Использование инструментов указанных конструкций в совокупности с системой диагностики состояния режущей части позволяет решать вопросы инструментального обеспечения ГПС.
Рис 1.5 Схема конструкции расточной оправки “Биг-Динреа” фирмы “Мицуи Сэйки”:
1 – исходная точка; 2 – упор; 3 – импульсный шифратор; 4 – серводвигатель
постоянного тока; 5 – блок электродвигателя постоянного тока; 6 – соедени-
тельный узел; 7 – хвостовик; 8 – шпиндель ОЦ; 9 – устройство дифферен-
циальной зубчатой передачи; 10 – корпус ОЦ; 11- ходовой винт; 12 – рез-
цедержатель; 13 – салазки; 14 – установочный штифт; 15 – кольцо муфты;
16 – штифт.
Рис.1.6 Блочная конструкция резцовых головок фирмы “Сандвик” (Швеция):
1 – резцовая головка; 2 – зажимной блок; 3 - шток
Рис. 1.7 Система блочных инструментов фирмы “Хертел” (Германия)
1.2 Применение режущих инструментов из СТМ и керамики
Применение инструментов оснащенных пластинками из керамики и поликристаллами синтетических алмазов является одним из путей повышения эффективности станков с ЧПУ и ГПС, сокращения основного технологического времени в 2-10 раз и повышения качества обработки [10, 13 ].
1.2.1 Инструменты из СТМ
Поликристаллические сверхтвердые материалы позволяют применять высокие скорости резания до 1000 – 4000 м/мин, при этом обеспечивая повышенную стойкость инструмента. Высокая эффективность инструмента обусловлена повышенными физико-химическими свойствами: высокой твердостью (4000-7500 кгс/мм); высокой теплостойкостью (1100-1300 С) и теплопроводностью (0,10 – 0,12 кал/см.сек.град); химической инертностью к соединениям железа с углеродом; повышенной ударной вязкостью; способностью режущей кромки к самозатачиванию. В таблицах 1.1 и 1.2 приведены рекомендуемые режимы резания при точении и фрезеровании инструментами
из композита.
Таблица 1.1 Рекомендуемые режимы резания инструментами из композита при
точении и растачивании
____________________________________________________________________________
Режимы резания
Обрабатываемый материал Условия Марка
Резания композита V, м/мин Sо,мм/об t, мм
Стали конструкционные Без удара 05; 01 50 – 180 0,03-0,20 0,05-3,0
и легированные, закален- С ударом 10; 10Д 40- 120 0,03-0,10 0,05-1,0
ные до HRCэ 40-58
Стали быстрорежущие,
Инструментальные,
закаленные до твердости Без удара 01 50-120 0,03-0,10 0,05-0,8
HRCэ 58-70 С ударом 10; 10Д 40-100 0,03-0,07 0,05-0,4
Чугуны серые и высоко- Без удара 05; 01 400-1000 0,03-0,5 0,05-3,0
прочные НВ 150-300 С ударом 10; 10Д 300-800 0,03-0,2 0,05-2,0
Чугуны отбеленные, Без удара 05; 01 50-200 0,03-0,5 0,05-2,0
закаленные НВ 400-600 С ударом 10; 10Д 40-90 0,03-0,10 0,05-1,0
Износостойкие пок-
рытия (плазменное По корке 01; 10; 10Д 40-100 0,03-0,15 0,1-0,5
напыление)
Примечания: 1. Меньшие значения скорости резания выбираются из указанных
диапазонов при более тяжелых условиях обработки.
2. Меньшие значения подач назначаются при высоких требованиях
к шероховатости обрабатываемой поверхности.
_____________________________________________________________________________
Таблица 1,2 Рекомендуемые режимы резания из композита при
торцовом фрезеровании
Режимы обработки
Обрабатываемый материал Марка
композита V м/мин Sz мм/зуб t, мм
Стали конструкционные
и легированные в состоянии 10; 01;10Д 400-900 0,01-0,1 0,06-1,5
поставки (HRCэ < 30)
Стали конструкционные,
легированные закаленные 10; 01; 10Д 200-600 0,01-0,1 0,06-1,2
(HRCэ 35-55)
Чугуны серые и высоко-
прочные (HB 150-300) 05; 10; 10Д; 01 800-3000 0,01-0,1 0,05-6,0
Чугуны отбеленные,
закаленные (HB 400-600) 0,1; 0,5; 10; 10Д 200-800 0,01-0,1 0,05-4,0
Примечания: 1. Скорость резания выбирается максимально возможной для данного
станка.
2. Меньшие значения подач назначаются при высоких требованиях к
шероховатости обрабатываемой поверхности.
При окончательной обработке материалов высокой твердости за один проход рекомендуется принимать глубину резания не более 0,1-0,2 мм. Рекомендуемые геометрические параметры инструментов: передний угол – 5 …-10 град.; задний угол 6…
15 град.; радиус при вершине 0,4-0,8 мм. При тяжелых условиях резания (с ударом, по корке …) рекомендуется придать режущей кромке инструмента радиусную форму с величиной радиуса 40-50 мкм, или предусмотреть защитную фаску шириной 0,05-0,20 мм на передней поверхности под углом γ = - 20 град.
На первом проходе глубину резания при точении рекомендуют увеличить на 0,05 мм величины биения шпинделя. В Таблице 1,3 приведены рекомендуемые режимы резания при точении поликристаллическими алмазами.
Таблица 1.3 Рекомендуемые режимы резания инструментом из поликристаллических
алмазов при точении
Режимы резания
Обрабатываемый материал Скорость резания, Подача, Глубина резания,
М / мин мм / об мм
Алюминий и алюминиевые
сплавы 600 – 3000 0,03 – 0,3 0,05 – 1,0
Медь и медные сплавы 300 – 1000 0,03 – 0,3 0,05 – 1,0
Пластмассы 200 – 1000 0,03 – 0,3 0,05 – 1,0
Спеченные твердые сплавы 15 – 40 0,03 – 0,1 0,05 – 1,0
_____________________________________________________________________________
1.2.2 Инструменты из керамики
Керамические материалы для инструментов подразделяют на следующие группы:
- оксидная (белая) керамика состоит из окиси алюминия (99 %) с добавками окиси магния. Марки: ВО13, ЦМ 332 и ВШ-75;
- оксидно-карбидная (черная) состоит из окисла алюминия (60 – 80 %) и карбидов и окислов тугоплавких материалов. Марки: ВОК 60 и ВЗ (ГОСТ 25003-81);
- нитридная (оксиднонитридная, кремненитридная). Марки: Кортинит ОНТ20 и Силинит – Р.
В Таблице 1.4 приведены рекомендуемые режимы резания при точении резцами из керамики.
Таблица 1.4 Режимы резания при точении резцами с пластинками из керамики
Режимы резания Рекомендуемая
Обрабатываемый марка керамики
материал Твердость Скорость, Подача, Глубина
м/мин мм/об резания, мм
Чугун серый НВ 160 – 240 300 – 800 0,01 – 0,20 0,3 – 1,0 ВО -13
Чугун ковкий НВ 160 – 270 200 – 400 0,12 – 0,25 0,3 – 0,8 ВОК – 60
Сталь конструк-
ционная НВ 229 300 – 700 0,15 0,20 0,3 – 0,8 ВО – 13 (ВШ – 75)
Сталь улуч-
шенная НВ 229 – 380 300 – 600 0,10 -0,20 0,3 – 0,8 ВШ – 75(ВОК -60)
Сталь закаленная НRCэ 40 – 64 50 – 150 0,04 – 0,15 0,1 – 0,8 ВОК – 60 (В – 3)
_____________________________________________________________________________
Инструменты из оксидной керамики марок ВО13, ВШ75 следует применять при чистовой и получистовой обработке сырых и термоулучшенных конструкционных и легированных сталей и серых чугунов взамен твердого сплава марок Т14К6, Т14К8, ВК3, ВК6, Т118К6.
Инструменты из оксидно-карбидной керамики марок ВОК60 и В3 следует применять при обработке закаленных сталей твердостью 30…60 НRC, ковких, модифицированных и отбеленных чугунов 300…650 НВ.
Инструменты из нитридной керамики (силинит, кортинит) применяются при обработке закаленных сталей 30…55 HRC, чугунов 300…650 НВ.
2. Контроль состояния режущих инструментов
При создании ГПС необходимо особое внимание уделить системам автоматического контроля за состоянием режущих инструментов. При работе режущих инструментов происходят: размерный износ, который нормируется периодом стойкости и его можно
учесть при плановой замене; поломка и выкрашивание, которые не поддаются прогнозированию и опасны для работы станков.
В этой связи на ГПМ необходимо предусматривать системы автоматического контроля
текущего состояния режущих инструментов. Контроль состояния режущих инструментов
позволяет:
1. обеспечить принцип “безлюдной технологии” на ГПС;
2. обеспечить точность и качество обработки партии деталей;
3. исключить возможную поломку узлов станка;
4. повысить надежность работы ГПС;
5. повысить производительность и уменьшить стоимость обработки.
При резании рабочие поверхности инструмента подвергаются действию высоких температур и удельного давления от составляющих силы резания. Происходит адгезионный износ, выкрашивание, скалывание режущей части, что приводит к снижению качества и точности обработки, изменению формы стружки (особенно при точении пластичных материалов и легированных сталей).
Установлено, что дефекты режущих инструментов в процессе эксплуатации распределяются следующим образом:
1. износ – 35%;
2. скалывание – 10%;
3. поломка – 20%;
4. выкрашивание -20%;
5. прочее (отделение пластинки, …) – 15%.
Время на внеплановую замену режущего инструмента может достигать до 10% от времени работы ГПМ.
Контроль состояния режущего инструмента можно производить прямыми или косвенными оценками состояния инструмента (Рис. 2.1). При резании контролируют
параметры процесса: составляющие силы резания (Рис.2.2) [23]; силу тока в электродвигателе привода главного движения; температуру в зоне резания; вибрацию технологической системы СПИД; режущую способность (при шлифовании); шероховатость и размер обработанной поверхности. До и после обработки состояние инструмента проверяют с помощью щупов или оптических систем установленных на ГПМ. Система ЧПУ ГПМ отслеживает время работы каждого инструмента и параметры предусмотренные для контроля процесса резания.
Изменение составляющих силы резания является наиболее достоверным способом характеризующим состояние режущего инструмента. С увеличением износа инструмента изменяются составляющие силы резания, потребляемая мощность (ток)
привода главного движения, что фиксируется датчиками, сигнал с которых передается в
УЧПУ ГПМ. На рис. 2.2 показано устройство для определения величины радиальной
составляющей силы резания при бесцентровом врезном шлифовании на жестких опорах [23]. В устройстве изменение величины радиальной составляющей сил контролируется датчиком по величине деформации упругой части опоры 3. Наличие ПАК позволяет определять режущую способность шлифовального круга и формировать команду на правку круга.
При износе (поломке) инструмента изменяется мощность резания, которая связана с составляющими резания следующими зависимостями [20].
При точении составляющие силы резания и мощность определяются по формулам:
x y m
Pz,у,х = Ср · t · S · V · Kр, (2.1)
Где: Pz y x - тангенциальная, радиальная и осевая составляющая силы резания, кГс.
Ср - постоянная величина зависящая от условий резания.
t - глубина резания, мм.
S - подача, мм/об.
V - скорость резания, м/мин.
Кр - поправочный коэффициент учитывающий условия резания.
N = Pz · V / 102 · 60, (2.2)
Где: N - мощность резания, кВт.
При обработке концевыми инструментами (сверление, зенкерование, …) мощность резания и осевая составляющая силы резания определяются по формулам:
N = M · n / 975, кВт (2.3)
g f
М = Cм · Dи · S · Kp, кГс м (2.4)
e u
Po = Cp · Dи · S · Kp, кГс (2.5)
Где: Dи – диаметр инструмента, мм.
n – частота вращения инструмента, мм.
При фрезеровании мощность резания определяется:
N = Pz · V / 102 · 60, кВт (2.6)
x y µ g k
Pz = (Cp · t · S · B · z / Dи · n) · Kр, (2.7)
Где: В – ширина обрабатываемой поверхности, мм.
z – число зубьев фрезы.
Активная мощность цепи переменного тока привода станка равна:
N = U · J · cos φ, кВт (2.8)
Где: U, J - действующие напряжение и ток.
φ - угол сдвига фаз между напряжением и током.
Мощность в цепи постоянного тока –
N = U · J, кВт (2.10)
Контроль колебания мощности резания является наиболее простым способом проверки
состояния режущего инструмента, так как не требует снижения жесткости элементов
технологической системы СПИД, дополнительных затрат на модернизацию станка,
обеспечивает доступность контролируемых параметров и простоту конструкции. Недостатком метода является малая чувствительность системы при финишных методах обработки (при небольших усилиях резания).
Виброакустические измерения подразделяются на две группы:
1. использование в качестве сигнала колебаний элементов технологической системы
СПИД в диапазоне от 20 Гц до 60 кГц;
2 использование в качестве сигнала волны акустической эмиссии, формируемые в зоне
резания в диапазоне более 100 кГц.
Недостатком методов является необходимость выделения низко и высокочастотных
сигналов, использование аппаратуры для спектрального анализа акустических сигналов.
В основном применяется на финишных операциях, где износ инструмента может влиять
на качество обработки (шлифование, тонкое точение …).
Измерение размеров обрабатываемой поверхности с помощью датчиков касания (рис.2.3) установленного в шпиндель станка (станки сверлильно-фрезерно-расточной группы) или в револьверную головку токарного станка, позволяет в совокупности с программным обеспечением системы УЧПУ станка оценить характер износа инструмента [34].
Анализ способов контроля состояния режущих инструментов показывает, что наиболее приемлемым способом контроля состояния режущих инструментов являются комплексный – сочетающий контроль положения инструмента (или обрабатываемой поверхности) датчиками касания и контроль процесса резания. Способ контроля процесса
резания зависит от метода и условий обработки.
Рис. 2.1 Способы контроля состояния режущих инструментов
Рис. 2.2 Схема устройства для определения величины составляющей силы
резания при бесцентровом шлифовании на жестких опорах - “микроцентрик”
Рис. 2.3 Индикаторы касания
3. Расчет потребного количества режущих и вспомогательных инструментов
В зависимости от стадии проектирования ГПС [ 25 ], потребное количество режущих инструментов может быть определено:
1.укрупненным методом;
2.уточненным методом.
Укрупненные расчеты производятся в соответствии с “Общемашиностроительными нормативами режимов резания, норм износа и расхода инструментов ” [ 6 … 20 ] по
формуле:
Ри = Тоi · Nгi · Hр / 60 ·1000, шт. (4.1)
где: Тоi - основное технологическое время при обработке “i-х’ деталей, мин.;
Nгi - годовая программа выпуска “i-х” деталей, шт.;
Hр - норма расхода инструмента на 1000 час. основного времени.
При укрупненных расчетах станкоемкость обработки можно заменить действительным годовым фондом работы оборудования с учетом коэффициента загрузки оборудования (0,85).
Уточненные расчеты годовой потребности режущих инструментов производятся по формуле:
n
Ри = ∑ Toi ∙ Nгi∙ Kу ∙ Ки / Tj (Кпj + 1), шт (4.2)
i=1
где: Ку – коэффициент случайной убыли инструмента (при нормальном законе
распределения Ку = 1,2);
Ки – коэффициент неполного использования режущего инструмента, из-за
принудительной замены комплекта инструментов (Ки = 1,3);
Tj - стойкость “j-х “ инструментов, мин.;
Кпj – количество переточек инструмента.
Минимальный комплект режущего инструмента составляет
Ри.min = Ри1 + Ри2 + Ри3, (4.3)
где: Ри1 – количество инструментальных комплектов на ГПМ;
Ри2 - количество инструментальных комплектов на участке настройки ОНИ ГПС;
Ри3 – количество инструментальных комплектов на складе в ОНИ или АТСС.
В ОНИ ГПС предусматривают дублеры инструментов, при этом коэффициент запаса режущих инструментов составляет 10…30, а вспомогательного 1,4 … 1,6.
При обработке большой номенклатуры деталей при небольшой партии запуска требуется значительное количество режущего и вспомогательного. Поэтому, предприятиями
Минстанкопрома предлагаются комплекты инструмента широкоуниверсального назначения. В Таблице 3.1 приведен пример комплекта инструмента для станков 1П756ДФ3 участков АСВ [ 4, 31 ].
Таблица 3.1 Комплект режущего и вспомогательного инструмента для станка
модели 1П756ДФ3, встраиваемого в автоматизированные комплексы
типа АСВ
Наименование инструмента Номер чертежа Количество
Режущий инструмент
- Резец проходной, подрезной с шестигранной
пластиной φ = 95, левый К.01.4966.19 16
- Резец проходной, подрезной с шестигранной
пластинкой φ = 95, правый К.01.4966.18 10
- Резец токарный сборный для контурного 2101.0672
точения, φ = 93, левый ГОСТ 20872 – 80 6
4. Резец для проточки наружных прямых
канавок, левый П.38.109 Л 4
5. Резец для проточки наружных канавок
для выхода шлифовального круга, правый П.39.109 4
6. Резец для проточки наружных канавок
для выхода шлифовального круга, левый П.39.109Л 4
7. Резец для проточки наружных угловых
канавок, левый П.41.109Л 4
- Резец для нарезания наружной резьбы
с шагом ≤ 3 мм, левый П.45.109.Л 4
9. Резец проходной с квадратной пластинкой
φ = 45, левый К.01.4912.17 4
- Резец для проточки глубоких канавок,
левый АР.1072 4
- Резец токарный сборный расточный с
Шестигранной пластиной с углом 80, 2145.0562,
φ = 92, левый ГОСТ 20874 -75 6
12. Борштанга расточная с перпендикулярным
пазом 191.421.642 4
13 Резец для расточки внутренних прямых
канавок, левый П.83.03.Л 4
14. Резец для расточки внутренних канавок
для выхода шлифовального круга, левый П.84.03..Л 4
15. Резец для расточки внутренних угловых
канавок, левый П.86.03.Л 4
16. Резец для нарезания внутренней резьбы,
левый П.88.03.Л 4
17. Сверло спиральное с коническим хвос- 2301 - 0087
товиком диаметром 25 мм ГОСТ 10903-77 4
18. Сверло перовое диаметром 40 мм 2304-2506, ГОСТ 25524-82 4
Вспомогательный инструмент
1. Резцедержатель двусторонний 191.811.044 8
2. Резцедержатель с открытым пазом 191.811.004 8
3. Держатель для крепления инструмента