Лекція №7

Тема лекції: «Металорізальні верстати»

Конспект лекції:

Металорізальні верстати є основним видом технологічного обладнання машинобудівних заводів.

Як класифікаційні ознаки можуть бути прийняті: технологічний метод обробки, ознаки застосовуваного різального інструмента, ступені концентрації операцій й автоматизації, рівень спеціалізації тощо.

В залежності від реалізованого на верстатах технологічного методу обробки їх поділяють на такі групи: токарні (1); свердлильно-розточувальні (2); шліфувальні і доводочні (3); для електрофізичної і електрохімічної обробки (4); зубо - і різьбооброблювальні (5); фрезерувальні (6); стругальні, довбальні і протягувальні (7); розрізні (8); різні (9).

Кожна група може включати до 10 типів верстатів. Так, верстати першої групи (токарні) поділяють на: одношпиндельні автомати (1 тип), багатошпиндельні автомати (2 тип), токарно-револьверні (3 тип) і т.д.

За ознаками застосовуваного інструмента верстати підрозділяють на ті, що працюють однолезовим інструментом (рис. 7.1, а) і багатолезовим (рис. 7.1, б), осьовим (рис. 7.1, в) і абразивним (рис. 7.1, г) інструментом.

За ступенем концентрації операцій, виконуваних на верстаті, вони можуть бути одноінструментальними (рис. 7.2, а), багатоінструментальними (рис. 7.2, б) і багатопозиційними (рис. 7.1, в). Обробка на багатоінструментальних верстатах забезпечує підвищення продуктивності за рахунок одночасного різання декількома інструментами. Багатопозиційні металорізальні верстати дозволяють обробляти на них одразу кілька деталей.

За рівнем спеціалізації верстати поділяють: на універсальні, призначені для виконання різноманітних операцій для широкої номенклатури заготовок; широкого призначення, що виконують обмежене число різних операцій при широкій номенклатурі заготовок; спеціалізовані, що забезпечують обробку деталей одного типу різних розмірів; спеціальні – для обробки одного типорозміру деталей.

За ступенем автоматизації розрізняють верстати з ручним керуванням, напівавтомати, автомати і верстати з програмним керуванням.

Всі моделі верстатів позначають цифрами і буквами. Перша цифра означає його групу, друга - тип. Наступні одна або дві цифри характеризують один з основних параметрів верстата - висоту центрів для токарних верстатів, діаметр столу для карусельних, максимальний розмір оброблюваного отвору для свердлильних і т.п. Для верстатів з числовим програмним керуванням (ЧПК) в позначення додатково вводиться буква Ф з наступною цифрою, що характеризує систему ЧПК. Наприклад, модель 16К20Ф3 відноситься до групи токарних верстатів, тип - токарно-гвинторізні з висотою центрів 200 мм, буква К означає модифікацію основної моделі, Ф3 - верстат з контурною системою ЧПК.

 

в) г) Рисунок 7.1 - Класифікація верстатів за характером застосовуваного інструмента

а) б)

Рисунок 7.2 - Класифікація верстатів за ступенем концентрації операцій: І - завантажувальна позиція , ІІ -VІ - обробні позиції

а) б)

в)

І

ІІ

ІІІ

ІV

V

VІ

Незважаючи на велику розмаїтість груп і типів верстатів, можна відзначити основні вузли, що є в будь-якій моделі обладнання (рис. 7.3). Коробка швидкостей 1 забезпечує необхідну швидкість головного руху Dr заготовки (або інструменту). Регулювання швидкості може бути східчастим (за допомогою рукоятки 5) або безступінчастим. Коробка подач 2, у свою чергу, забезпечує необхідні значення величин подач, тобто швидкості руху подачі Ds інструменту або заготовки (у токарному верстаті – супорта 4 з інструментом). Станина 3 є базовою деталлю верстата, що визначає взаємне розташування інших вузлів верстата. У верстата повинні бути рукоятки керування, призначені для пуску й зупинки його окремих механізмів, вмикання необхідних подач і частот обертання заготовки або інструмента, і т.п. Закріплення заготовки здійснюють у змінному пристосуванні, установлюваному на верстаті. На токарних верстатах з цією метою часто використовують трикулачковий самоцентрувальний патрон 6.

Ступінь автоматизації металорізальних верстатів визначає їх продуктивність. При використанні універсальних верстатів з ручним керуванням питома вага машинного часу (часу різання) складає 20-30% від загального часу обробки. Це означає, що при цьому значну частину роботи в процесі виготовлення виробів виконує людина. Застосування спеціальних і спеціалізованих верстатів, напівавтоматів і автоматів дозволяє підвищити частку машинного часу до 70-80% і на їх основі створювати автоматичні лінії.

Автоматична лінія являє собою ряд узгоджено працюючих автоматично керованих верстатів, транспортних пристроїв і контрольних механізмів (приладів), за допомогою яких без участі людини виконуються операції обробки, міжопераційного переміщення заготовок і контролю.

Приклад автоматичної лінії й оброблюваної на ній деталі показаний на рис. 7.4. Відрізані від сортового прокату заготовки 4 періодично завантажують у лоток 3. Далі вони поштучно надходять у зону обробки верстата, закріплюються призмами 2, після чого спеціальним інструментом, установленим у головках 1 і 6, знімаються фаски відразу з 2-х сторін. Після знімання фасок і звільнення заготовка потрапляє в трубчастий живильник 7, у якому переміщається під впливом штока пневмоциліндра 23 до бесцентровошліфовального верстата 8, обробляється на ньому і ще одним живильником подається до протягувального верстата 13 для обробки паза і лиски. При цьому заготовка кантувачем повертається на 90⁰ і пневмоприводом 16 подається у пристосування 12 з установленням і закріпленням в ньому. Далі відбуваються протягування паза і лиски двома плоскими протяжками, розтискання після обробки, подача в приймальне вікно лотка 10, по якому деталь 9 падає в установлену поряд тару.

Використання для обробки автоматичних ліній дозволяє в кілька разів скоротити кількість робітників, зменшити число верстатів і виробничих площ, підвищити продуктивність праці. У той же час спеціальні верстати й автоматичні лінії на їх основі не мають гнучкості, тобто не можуть переналагоджуватись і переходити на виготовлення нових виробів, оскільки

Рисунок 7.3 - Токарно-гвинторізний верстат: 1 - коробка швидкостей; 2- коробка подач; 3 - станина; 4 - вузол інструмента (супорт); 5 - рукоятка керування; 6 - пристосування для закріплення заготовки (патрон)

1 5 6 4

2 3

Рисунок 7.4 - Автоматична лінія обробки шворня

найчастіше працюють за жорсткими цикловими програмами. Застосування універсальних верстатів, що мають достатню гнучкість, при переході на виготовлення нових виробів, як правило, не вимагає радикального переоснащення виробництва і значних витрат. Однак продуктивність праці в цьому випадку низька.

Одночасне забезпечення гнучкості, універсальності та високого ступеня автоматизації обладнання стало можливим з появою верстатів із ЧПК, при використанні яких істотно спрощується та прискорюється переналагодження, оскільки витрати часу на розробку і запис програми відносно невеликі. Досвід експлуатації верстатів з ЧПК показав, що при їх безперечних перевагах для обслуговування даного обладнання необхідно залучати фахівців з електроніки, математики, програмістів і наладчиків високої кваліфікації. Але введення до штату названих фахівців має сенс, якщо верстати з ЧПК застосовуються великими групами. Однак і в цьому випадку обладнання використовують не кращим образом через великі втрати часу, пов'язаних з передачею деталей від одного верстата до іншого.

Ідея числового програмного керування виявилася досить плідною з появою багатоцільових верстатів (БЦВ), на кожному з яких можна виконувати велике число різноманітних фрезерувальних, розточувальних, свердлильних і резьбонарізальних операцій. Основною відмінністю БЦВ став інструментальний магазин з набором інструмента в 30 і більш одиниць. Завдяки концентрації операцій на одному робочому місці, високому рівні автоматизації і скороченню допоміжного часу продуктивність праці під час експлуатації багатоцільових верстатів у 3-4 рази вища, ніж при застосуванні універсальних.

Сам по собі таке складне обладнання, яким є БЦВ, не може працювати без обслуговуючого персоналу. Якою б складною не була деталь, рано або пізно цикл її обробки закінчується, і хтось повинний зняти її з верстата, а замість неї установити чергову заготовку. При виготовленні більшості деталей з цією задачею цілком успішно можуть справитись промислові роботи. Складніше в цьому плані з великими корпусними деталями. Тому було запропоновано кріпити їх заготовки на так званих супутниках - рухомих платформах, що можуть займати на робочому столі верстата точно визначене положення. Кілька таких супутників - паллет із заготовками заздалегідь, як правило, на початку першої зміни, складують на транспортері спеціального накопичувача, що знаходиться поруч з верстатом, і за командою ЧПК по черзі подає паллети на робочий стіл верстата та повертає їх до накопичувача після обробки заготовок. Це забезпечує автоматичне завантаження верстата.

Багатоцільові верстати із системою супутників або роботом відповідають усім вимогам, що пред’являються до гнучкого автоматизованого виробництва. Вони можуть у будь-який момент і за мінімальний час переходити на обробку нових деталей, для чого необхідно тільки замінити програму обробки. Безперебійну роботу багатоцільового верстата можуть забезпечити автоматичні системи зміни інструмента, транспорту, установлення і знімання заготовок, видалення стружки, подачі охолодної рідини і мастила, засоби контролю за точністю обробки, діагностики стану інструмента. Саме такі технологічні комплекси з верстата з ЧПК, пристроїв завантаження, системи забезпечення безперебійної роботи, керуючих пристроїв на базі ЕОМ, розглядають як гнучкі виробничі системи (ГВС).

Організаційно ГВС має ієрархічну структуру, першим рівнем якої є гнучкий виробничий модуль (ГВМ) (рис. 7.5). Заготовки, закріплені на паллеті 1, переміщають зі складу автоматичним транспортом і передають на двомісний накопичувач 2, установлений біля верстата. Далі за програмою заготовку з паллетою переміщають на робочий стіл 7 і обробляють. Зміну інструмента здійснюють маніпулятором 4.

У залежності від числа установленого обладнання можна створити гнучку лінію, ділянку або навіть цех. У загальному випадку ГВС (рис. 7.6.) являє собою систему з комплексно автоматизованим виробничим процесом, роботу всіх частин якої (верстатів, транспортних засобів, засобів контролю, інструментального забезпечення і т.д.) координують як єдине ціле за допомогою системи керування на базі ЕОМ.

ГВС включає:

технологічну систему, що представляє собою сукупність взаємозалежних технологічних машин (верстатів із ЧПК, роботів, маніпуляторів і ін.), що здійснюють формоутворення деталей в автоматичному режимі;

транспортну систему, що складається з транспортних і накопичувальних пристроїв, які забезпечують міжопераційне збереження і доставку заготовок, пристосувань, готових деталей до основного технологічного обладнання й автоматичного складу;

складську систему, що слугує для збереження нормативного запасу заготовок, пристосувань і інструмента, видачі їх у виробництво, накопичення і збереження готових деталей;

систему інструментального забезпечення, що забезпечує оперативну підготовку і збереження інструментальних наладок і пристосувань, їх контроль, облік і доставку інструмента й оснащення до основного технологічного обладнання;

систему контролю, що здійснює контроль технічних засобів ГВС і деталей; діагностику працездатності автоматичного обладнання, що входить до складу технологічної, транспортної, складський систем, системи інструментального забезпечення;

систему керування, що складається із засобів обчислювальної техніки у виді керуючого обчислювального комплексу із засобами програмного забезпечення і призначена для: розробки оперативних завдань для верстатів і систем обслуговування (опрацьовування, передача і накопичення інформації, що використовується для узгодження переміщення в просторі і часі заготовок, інструментів, оснащення й ін.); обліку виконання планових завдань; керування технологічним і допоміжним обладнанням

 

Рисунок 7.5 - Компонування ГВМ для обробки корпусних деталей: 1 - палета; 2 - двомісний накопичувач палет; 3 - інструментальний магазин; 4 - маніпулятор для установки інструмента в шпиндель; 5 - шафа пристрою ЧПУ; 6 - шафа електроустаткування; 7 - робочий стіл

Автоматизована система управління підприємством (АСУП)

Автоматизована система управління техпроцесами (АСУПТП)

Система автоматизованого проектування (САПР)

ЕОМ

Центр управління

Автоматизована система управління гнучким виробництвом

Автоматизована система транспортування деталей та заготовок

Рисунок 7.6 - Гнучка виробнича система: 1 - система інструментального забезпечення; 2 - пульт оператора; 3 - багатоцільові верстати; 4 - транспортний робот; 5 - накопичувачі з автоматичним завантаженням; 6 - контрольно-вимірювальна машина; 7 - оперативний накопичувач супутників; 8 - автоматичний штабелер; 9 - позиція завантаження і вивантаження заготовок на супутники; 10 - склад заготовок; 11 - склад інструментів; 12 - склад супутників

(опрацьовування, передача і накопичення інформації, що відноситься до технологічних режимів обробки, маршрутам тощо).

Іншим прикладом гнучкого автоматизованого виробництва може слугувати лінія з автоматичною зміною багатошпиндельних коробок (рис. 7.7), призначена для обробки осьовим інструментом (свердлами, зенкерами, розвертками, мітчиками і т.д.) різноманітних корпусних деталей в умовах середньосерійного виробництва. Лінія складається із силового столу, на якому встановлюють змінні шпиндельні коробки, транспортної системи для переміщення шпиндельних коробок, поворотного столу з пристосуваннями для установки заготовок і системи програмного керування. Силовий стіл разом зі шпиндельною коробкою і закріпленими на ній інструментами здійснює рух подачі Ds, а інструментам передається головний рух Dr (обертальний). Переміщення шпиндельних коробок здійснюється обертовими роликами транспортера. Така структура лінії - сполучення комплекту уніфікованих вузлів з механізмами, необхідними для обробки конкретної деталі, забезпечує її велику гнучкість.

У світовому верстатобудуванні вже багато десятиліть йде важка боротьба за точність металообробки. При обробці деталь і інструмент обертаються, повертаються, переміщаються з різними швидкостями. У металорізальних верстатах з механічними приводами існує межа точності переміщень через люфти в системах передач (зубчастих колесах), (рис. 7.8, а). Однак промисловість вимагає виробів високої точності. Тому з'явилася ідея мехатронного металорізального верстата (рис. 7.8, б).

Принцип мехатроніки зовні простий: деталь, яку необхідно обертати, безпосередньо, без використання проміжних зубчастих передач, зв’язують з валом синхронного електродвигуна. Так само безпосередньо від електродвигуна, передається обертання на шпиндель, в якому установлений інструмент. До електродвигуна кожного приводу підводять напругу від електронного блоку. В результаті зміни частоти струму, з'являється можливість безступінчасто і точно регулювати величину швидкості переміщення виконавчого механізму, а отже деталі й інструмента. Так, ротор синхронного двигуна одного з таких верстатів може обертатись з частотою 0,03 об/хв (біля 2 об/год).

Аналогічно можна забезпечити і менші переміщення як деталі, так і інструмента, використовуючи кулькову гвинтову пару, у якій гвинт є ротором синхронного електродвигуна, а гайка закріплена, наприклад, на супорті верстата. Точність лінійного позиціювання для одної з моделей мехатронного верстата склала 10 мікрометрів у порівнянні з 16 мікрометрами в аналогічного за призначенням багатоцільового верстата з ЧПК.

У машинобудуванні часто виникають технологічні проблеми, зв'язані з обробкою матеріалів і деталей, потрібні форму і стан поверхневого шару яких важко одержати на звичайних металорізальних верстатах. До таких проблем відносять обробку досить міцних, в’язких, ламких і неметалевих матеріалів, тонкостінних нежорстких деталей, пазів і отворів, що мають

 

Шпиндельні коробки (у вертикальному положенні)

Силовий стіл з приводами подачі та обертання

Кантувач (у верти-кальному положен-ні) зі шпиндельною коробкою

Місце кріплення шпиндельної коробки

Транспортер

Кантувач (у горизонтальному положенні)

Деталь на обробку

Рисунок 7.7 - Гнучка лінія з автоматичною зміною багатошпиндельних коробок

електродвигуни

Поворотна частина

а) б) Рисунок 7.8 - Металорізальні верстати: а - з механічними приводами; б - мехатронний

Поворотна частина

розміри в кілька мікрометрів, поверхонь деталей з малою шорсткістю або малою товщиною дефектного поверхневого шару.

Подібні проблеми вирішують за допомогою верстатів для електрофізичної та електрохімічної (ЕФЕХ) обробки. Для здійснення розмірної обробки заготовок ЕФЕХ методами використовують електричний, хімічний, звуковий, світловий, променевий й інші види енергії. Верстати для ЕФЕХ методів обробки успішно доповнюють обробку різанням, а в окремих випадках мають переваги перед нею: силові навантаження або відсутні, або настільки малі, що практично не впливають на сумарну похибку обробки. Подібні верстати дозволяють не тільки змінювати форму оброблюваної поверхні заготовки, але і впливати на стан поверхневого шару, наприклад, оброблена на них поверхня не зміцнюється, дефектний шар незначний, віддаляються відпали поверхні, отримані при шліфуванні, підвищуються зносостійкіcть, корозійна стійкість, міцність й інші експлуатаційні характеристики деталей. Кінематика формоутворення поверхонь деталей ЕФЕХ методами обробки проста і не вимагає складних конструкцій верстатів, проте останні часто оснащують системами ЧПК.

Існують верстати електроерозійних методів обробки, хімічної й електрохімічної, ультразвукової, променевої і плазмової обробки. До числа електроерозійних відносять електроіскрові верстати (рис. 7.9), робота яких ґрунтується на явищі ерозії, тобто руйнуванні металу під дією електричних іскрових розрядів. Електрод-інструмент і заготовку включають до мережі коливального контуру. Електричний розряд, що утворюється при зближенні інструмента і заготовки, забезпечує високу температуру на її поверхні і випарювання елементарного об’єму металу. На оброблюваній поверхні заготовки утвориться лунка. Наступні імпульси повторюють процес ерозії, і так буде, поки заготовка не обробиться.

Обробку заготовок з ламких твердих матеріалів: скла, кераміки, феррітів, кремнію, кварцу, алмаза можна здійснювати на ультразвукових верстатах (рис. 7.10). Обробку виконують торцем інструмента, що коливається з надзвуковою частотою і незначною амплітудою (до 0,05 мм) у напрямку його подачі. У простір між торцем інструмента і поверхнею заготовки подають рідину з абразивними частинками. Під дією коливань інструмента зерна абразиву із силою вдаряються об поверхню заготовки, сколюючи з неї частки матеріалу.

Обробка заготовок з важкооброблюваних металів і сплавів (танталу, вольфраму, цирконію), а також з неметалевих матеріалів (рубінів, кераміки, кварцу) може здійснюватися на установках (верстатах), що використовують сфальцьований потік електронів у виді вузького променя. Електронно-променева обробка заснована на перетворенні кінетичної енергії спрямованого пучка електронів у теплову. Висока щільність енергії сфокусованого променя електронів дозволяє обробляти заготовки за рахунок нагрівання, розплавлювання і випарювання матеріалу з вузьколокальної ділянки.

 

Рисунок 7.9 - Загальний вигляд та схема роботи верстата для електроіскровой обробки: 1 - електрод-інструмент; 2 - ванна; 3 - заготовка; 4 - діелектрична рідина; 5 - ізолятор

Рисунок 7.10 - Ультразвуковий верстат мод. 4770: 1 - стіл; 2 - інструмент; 3 -магнітострикційна головка; 4 - станина; 5 - шланги для подачі рідини з абразивом; 6 - каретка столу; 7 - генератор високої частоти

Рисунок 7.11 - Схема електронно-променевої трубки

Рисунок 7.12 - Схема оптичного квантового генератора: 1 - джерело струму; 2 - батарея конденсаторів; 3 - корпус; 4 - імпульсна лампа; 5 - пусковий пристрій; 6 - рубін; 7 - лінзи; 8 - заготовка

Схема установки для електронно-променевої обробки (електронної гармати) показана на рис. 7.11. У вакуумній камері 1 у формуючому електроді 2 розташований вольфрамовий катод 3, який живиться від джерела струму, що забезпечує емісію вільних електронів. Електрони формуються в пучок під дією електричного поля, створюваного високою різницею потенціалів між катодом 3 і анодом 4, і прискорюються в осьовому напрямку. Діафрагма 5 відсікає крайові зони електронного променя 6, а система магнітних лінз 7 остаточно формує потік електронів у промінь малого діаметра і фокусує його на поверхні заготовки, закріпленої в пристосуванні на столі. Відхилення променю відносно поверхні заготовки забезпечується системою 8, що може керуватися від ПЧПК. Система ЧПК також керує подовжніми і поперечними переміщеннями столу, на якому закріплена заготовка, тривалістю імпульсів і інтервалів між ними. При розмірній обробці заготовок установка працює в імпульсному режимі, що забезпечує локальне нагрівання заготовки. У зоні обробки температура досягає 6000 ⁰С, а на відстані 1 мкм від межі променю не перевищує 300 ⁰С. Тривалість імпульсів і інтервали між ними підбирають таким чином, щоб за один цикл метал під променем встиг нагрітись і випаруватись. Тривалість імпульсів складає 10^-4 - 10^-6 с, а частота - 50 - 6000 Гц, діаметр сфокусованого електронного променя - кілька мікрометрів.

Світлопроменева (лазерна) обробка основана на тепловому впливі променями високої енергії на поверхню оброблюваної заготовки. Джерелом світлового випромінювання слугує лазер - оптичний квантовий генератор (ОКГ). Принцип роботи ОКГ оснований на тому, що атом речовини, маючи певний запас енергії, знаходиться в стійкому енергетичному стані і розташовується на відповідному енергетичному рівні. Для виведення атома зі стійкого енергетичного стану його необхідно збудити. Порушення (накачування) активної речовини здійснюють світловою імпульсною лампою. Збуджений атом, одержавши додатковий фотон від системи накачування, випромінює відразу два фотони, у результаті чого відбувається своєрідна ланцюгова реакція генерації лазерного випромінювання.

Для механічної обробки використовують твердотільні ОКГ, робочим інструментом яких є рубіновий стержень, що складається з оксидів алюмінію, активованих 0,05% хрому. Рубіновий ОКГ працює в імпульсному режимі, генеруючи імпульси когерентного монохроматичного червоного кольору. При вмиканні пускового пристрою ОКГ електрична енергія, накопичена в батареї конденсаторів, перетвориться у світлову енергію імпульсної лампи. Світло лампи фокусується відбивачем на рубіновий стержень, і атоми хрому приходять у збуджений стан. З цього стану вони можуть повернутися до нормального стану, випромінюючи фотони з довжиною хвилі 0,69 мкм, що відповідає червоній флюоресценції рубіна. Взаємодія фотонів зі збудженими атомами дає лавиноподібні потоки фотонів у різних напрямках. Наявність торцевих дзеркальних поверхонь рубінового стержня приводить до того, що при багаторазовому відображенні підсилюються світлові коливання в напрямку осі стержня рубіна, внаслідок стимулювання збудженими атомами. Через 0,5 мс більше половини атомів хрому приходять у збуджений стан, і система стає нестійкою. Уся накопичена в стержні рубіна енергія одночасно вивільняється, і кристал випускає сліпуче яскраве червоне світло. Промені світла мають високу спрямованість. Расходимость лучачи звичайно не перевищує 0,10. Системою оптичних лінз промінь фокусується на поверхні оброблюваної заготовки (рис. 7.12).

Енергія світлового імпульсу ОКГ звичайно невелика і складає 20 - 100 Дж, але вона виділяється в мільйонні частки секунди і зосереджується в промені діаметром ~ 0,01 мм. У фокусі діаметр світлового променя складає усього кілька мікрометрів, що забезпечує температуру 6000 - 8000 ⁰С. У результаті цього поверхневий шар матеріалу заготовки, що знаходиться у фокусі променів, миттєво розплавляється і випаровується.

Цим методом можна обробляти заготовки з будь-яких матеріалів, включаючи найбільш тверді і міцні. За допомогою лазерного променя можна виконувати контурну обробку за аналогією з фрезеруванням, тобто обробку поверхонь за складним контуром. Переміщеннями заготовки відносно світлового променя керують системи ЧПК, що дозволяє вирізати із заготовок деталі складної геометричної форми.