Разработка прогрессивных технологических процессов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция

Разработка прогрессивных технологических процессов



1. Типизация технологических процессов

технологический станок заготовка автоматизация

Одним из наиболее прогрессивных направлений совершенствования технологии серийного машиностроительного производства является типизация технологических процессов обработки отдельных поверхностей и изготовления деталей в целом.

Работу по типизации технологических процессов начинают с проведения классификации, позволяющей привести всё многообразие заготовок, поверхностей и их сочетаний к минимальному количеству типов, для которых можно разработать типовые технологические процессы обработки. При этом признаки, заложенные в основу классификации, должны удовлетворять условиям, при которых обработка поверхностей, их сочетаний или заготовок могла быть осуществлена по одному и тому же технологическому процессу.

Признаками для классификации элементарных поверхностей являются: форма поверхности, размеры, материал изделия, требуемая точность обработки, качество поверхностного слоя.

При создании типовых процессов обработки отдельных поверхностей не решается вопрос о типизации исходной заготовки, оборудования и последовательности отдельных операций. Типовой процесс обработки определенного сочетания поверхностей и особенно типовой процесс обработки заготовок не всегда состоит из сочетаний типовых процессов обработки отдельных поверхностей.

Под типовыми сочетаниями поверхностей будем понимать сочетание поверхностей, встречающихся у отдельных заготовок, при котором все элементарные поверхности могут быть обработаны при неизменной технологической базе, одинаковой последовательности операций, установов и переходов на одних и тех же станках, одинаковыми инструментами.

Признаками для классификации типовых сочетаний поверхностей являются:

конфигурация, размеры и точность обработки отдельных поверхностей, материал обрабатываемой заготовки, соотношение размеров отдельных поверхностей и точность их взаимного расположения. Типизация обработки сочетаний поверхностей также не решает задачи типизации исходной заготовки и не всегда определяет последовательность обработки отдельных поверхностей конкретной заготовки.

Примерами разработки типовых процессов обработки сочетаний поверхностей могут служить процессы обработки концентрично расположенных наружных и внутренних поверхностей вращения (детали типа валов или втулок), взаимно перпендикулярных или параллельных поверхностей, обеспечение соосности обрабатываемых отверстий и точности межосевого расстояния между ними и т.п.

Типизация технологического процесса возможна только путем проведения типизации изготовления деталей.

Признаками для классификации деталей являются:

конфигурация деталей, её размеры, точность обработки и качество поверхностного слоя, материал заготовки.

Это основные признаки, они относятся непосредственно к детали, выявляются из рабочего чертежа детали и определяют характер и содержание технологического процесса. Дополнительные признаки, - такие, как объем производственного задания, размеры отдельных партий обрабатываемых заготовок, имеющиеся в наличии СТО (станки, приспособления, металлорежущие и измерительные инструменты и т.п.), система планирования и организации производства и т.п., учитываются при типизации технологического процесса созданием нескольких технически равноценных вариантов типовых процессов.

Технологическая классификация деталей предусматривает 14 классов, характеризуемых общностью технологических задач, решаемых в условиях определённой конфигурации деталей. Она имеет общемашиностроительный характер (валы, втулки, диски, рычаги и т.п.) и может быть расширена добавлением новых классов деталей, характерных для отдельных отраслей промышленности.

Деление классов на группы и подгруппы заканчивается типом - совокупность деталей одного классов, имеющих в определенных производственных условиях одинаковый маршрут типовых операций, характеризуемых единством содержания и последовательности технологических переходов для группы изделий с общими конструктивными и технологическими признаками.

В пределах типа допускаются некоторые отклонения в порядке обработки, возможно исключение или добавление отдельных переходов и операций.

Типизация технологических процессов позволяет:

свести огромное количество процессов к минимуму и внести единообразие в обработку сходных деталей;

использовать наиболее прогрессивные технологические решения и сократить сроки технологической подготовки производства;

уменьшить количество типов специального оборудования и оснастки и создавать их на базе типовых схем и унифицированных узлов, используя принцип агрегатирования.

Документация типовых технологических процессов включает в себя классификатор деталей и карты типовых процессов обработки. Карты содержат подробные данные о технологическом процессе и отдельных операциях: эскиз заготовки с предельными габаритными размерами, материал, точность обработки и качество поверхностного слоя, последовательность и содержание переходов, оборудование, приспособления и инструменты, режимы обработки, нормы времени.

Типовую технологию в условиях завода разрабатывают в двух вариантах: рабочем, составленном на основании имеющегося оборудования и условий завода, и перспективном, учитывающем все возможности современных видов обработки, новейшего оборудования и прогрессивных методов организации производства.

Использование типовых технологических процессов для изготовления деталей наиболее характерно для крупносерийного и массового производства.

В условиях мелко- и среднесерийного производства при изготовлении деталей небольшими партиями возникают большие потери времени, связанные с переналадкой станков при переходе от изготовления одной детали к другой. В этих условиях целесообразно использовать групповой метод обработки. В основе метода (как при типизации технологических процессов) лежит технологическая классификация заготовок, позволяющая сформировать группы изделий с последующей разработкой технологии их групповой обработки без переналадки или с минимальной переналадкой оборудования.

При классификации заготовок для групповой обработки используют признаки, существенно отличающиеся от признаков типовой технологии. При групповой обработке под классом понимают совокупность изделий, характеризуемых общностью типа оборудования, необходимого для обработки заготовок в целом или отдельных её поверхностей, т.е. при групповой обработке формируют классы заготовок по видам обработки (обработка на токарных станках, фрезерных, сверлильных и др.).

Создание классов является предварительным этапом подготовки групповой обработки. Конечным результатом классификации является формирование групп. Основным признаком для объединения заготовок в группы по отдельным технологическим операциям является общность обрабатываемых поверхностей или их сочетаний, при этом в состав группы часто входят заготовки различной конфигурации. В этом смысле понятие группы значительно шире понятия типа, являющегося основой построения типового технологического процесса.

При формировании групп заготовок дополнительно учитывают также следующие признаки: точность и шероховатость обрабатываемых поверхностей; близость размеров исходных заготовок, позволяющая обрабатывать их на одном и том же оборудовании в однотипных приспособлениях; серийность выпуска заготовок.

Групповая обработка может ограничиваться отдельными групповыми операциями или применяться для построения группового технологического процесса обработки заготовок в целом.

При проектировании отдельных групповых операций, группой называют совокупность заготовок, характеризуемых общностью оборудования, технологической оснастки, наладки и технологических переходов.

Группу заготовок создают для выполнения операции на одном и том же станке при его неизменной наладке (допускается незначительная подналадка станка при переходе к обработке другой детали).

Совокупность групповых технологических операций, обеспечивающих обработку различных заготовок группы по общему маршруту, представляет собой групповой технологический процесс.

Разработку групповой технологии выполняют по следующей схеме:

По чертежам изделий завода отбирают детали, которые могут быть изготовлены на одинаковом оборудовании при установке в одинаковые приспособления с применением одинакового инструмента.

Устанавливают окончательный состав группы заготовок, обеспечивающей загрузку оборудования в течение выбранного планового периода при минимальных затратах времени на его переналадку для обработки других групп заготовок. Это исключительно важный этап, т.к. преимущества групповой обработки проявляются в полной мере только в том случае, если между переналадками станка для обработки заготовок различных групп проходит достаточно большой период времени (6-8 смен и более).

Создают комплексную деталь, устанавливают последовательность и содержание переходов групповой операции и разрабатывают схему групповой наладки станка. Наладку станка разрабатывают для наиболее сложной детали группы, включающей в себя все поверхности, поверхности, встречающиеся у отдельных деталей группы.

Проектируют и изготавливают групповую оснастку (приспособление и инструмент).

2. Область применения и технологические возможности станков с ЧПУ

Серийное и мелкосерийное производства, выпускающие до 75-80% общей продукции машиностроения, характеризуются большими затратами рабочего времени на выполнение вспомогательных операций. В общей структуре нормы времени основное технологическое время составляет всего 20-30%, а 70-80% - вспомогательное время.

Основным направлением сокращения затрат вспомогательного времени является автоматизация производственных процессов. Однако, автоматизация в условиях мелкосерийного производства посредством применения высокопроизводительных станков, автоматов и автоматических линий практически невозможна в связи с их высокой стоимостью, большими затратами на технологическую оснастку и очень большой трудоемкостью предварительной наладки станков, что делает стоимость изготовления нескольких штук и даже сотен штук деталей непомерно высокой.

Одним из главных направлений автоматизации процессов механической обработки заготовок мелкосерийного и серийного производств является применение станков с числовым программным управлением (ЧПУ).

Под числовым программным управлением понимается управление обработкой заготовки на станке по управляющей программе, в которой данные приведены в цифровой форме.

Управляющая программа (УП) представляет собой совокупность команд на языке программирования, соответствующих заданному алгоритму функционирования станка по обработке конкретной детали.

Станки с ЧПУ представляют собой полуавтоматы или автоматы, все подвижные органы которых совершают рабочие и вспомогательные движения автоматически по заранее установленной программе.

Эффективность применения станков с ЧПУ выражается:

в повышении точности и однородности размеров и формы обрабатываемых заготовок, полностью определяемых правильностью программирования и точностью автоматических перемещений соответствующих узлов станка (это особенно важно при обработке конструктивно-сложных заготовок, имеющих точные фасонные поверхности и большое число выдерживаемых размеров);

в повышении производительности обработки, связанной с уменьшением доли вспомогательного времени с 70-80% до 40-50% (при использовании обрабатывающих центров до 20-30%), с интенсификацией режимов резания; в среднем при переводе обработки на станки с ЧПУ производительность возрастает6 для токарных станков - 2-3 раза, фрезерных - в 3-4- раза и обрабатывающих центров (ОЦ) - в 5-6 раз.

в снижении себестоимости обработки, связанном с повышением производительности, понижением требований к квалификации станочника, в снижении затрат на приспособления, потребности в которых значительно уменьшаются, т.к. заготовки очень часто обрабатываются с одного установа.

в значительном снижении потребности в высококвалифицированных станочниках, связанном с упрощением изготовления сложных и точных заготовок на настроенных и автоматически работающих станках с ЧПУ, а также с применением их многостаночного обслуживания.



3. Детали, изготавливаемые на станках с ЧПУ

Детали, изготавливаемые на станках с ЧПУ можно объединить по конструкторско-технологическим признакам в следующие группы: плоскостные детали с простыми и сложными контурами, обрабатываемые на фрезерных, электроэрозионных, шлифовальных станках; объемные детали, поверхности которых обрабатываются на многооперационных станках с ЧПУ и обрабатывающих центрах (ОЦ); тела вращения со ступенчатым и криволинейным профилем, для обработки которых служат токарные станки с ЧПУ; плоскостные детали с различными отверстиями, получаемыми на сверлильных станках с ЧПУ; корпусные детали, сверление и расточка которых проводится на сверлильно-расточных станках с ЧПУ, а комплексная обработка, включающая операции фрезерования, производится на многооперационных станках и обрабатывающих центрах.

Главный критерий подбора детали для изготовления на станках с ЧПУ - эффективность изготовления деталей. Показателями эффективности могут быть снижение затрат или повышение производительности, повышение качества изделия и др. Основными факторами при расчете эффективности перевода изготовления детали на станов с ЧПУ являются сложность детали и технологичность её обработки, объем серии и число деталей в партии, технологические возможности и экономические показатели, а также методы и средства подготовки управляющих программ.

Сложность детали характеризуется числом обрабатываемых поверхностей, их формой и расположением, требованиями к точности и шероховатости.

Объем серии и число деталей в партии определяются областью рационального применения станка с ЧПУ. Под серией понимают общее число изделий определенного наименования, типоразмера и исполнения, изготовляемых по неизменной конструкторской документации. Число деталей в партии, т.е. число одинаковых деталей, изготовляемых без переналадки оборудования, выбирают из условия минимизации затрат на одну деталь.

Для уменьшения затрат подготовительно-заключительного времени, приходящегося на одну деталь партию необходимо увеличивать, а с ростом трудоемкости изготовления детали уменьшать.

4. Станки с ЧПУ

В зависимости от основных операций обработки станки с ЧПУ объединены в различные технологические группы.

Фрезерные станки с ЧПУ компонуются по типу вертикальных и горизонтальных консольных и бесконсольных станков. Горизонтально-фрезерные станки оснащаются поворотным столом.

На фрезерных станках с вертикальным шпинделем изготовляются плоскостные детали, детали коробчатой формы небольших габаритных размеров, а также сложные поверхности плоских и объемных кулачков, шаблонов, прессформ и др. На станках с горизонтальным шпинделем обрабатываются различно расположенные поверхности корпусных деталей.

Токарные станки с ЧПУ бывают центровые, патронные, патронно-центровые и карусельные. Набольшее применение получили станки с горизонтальной осью шпинделя, горизонтальной, вертикальной или наклонной станиной, на которой размещается суппорт с кареткой.

Токарные станки оснащаются одной или двумя револьверными головками или автоматическими резцедержателями с горизонтальной или вертикальной осью поворота на 3-8 позиций, цепными или барабанными магазинами на 8-16 инструментов, манипуляторами для подачи инструмента из магазина на рабочую позицию.

Сверлильные станки с ЧПУ имеют различные варианты компоновок на базе сверлильных, бесконсольных вертикально- или горизонтально-фрезерных и расточных станков. Они оснащаются револьверными головками или инструментальными магазинами.

Многооперационные станки с ЧПУ позволяют изготовлять деталь при минимальном числе установов. Они создаются на базе сверлильно-расточных станков и оснащаются инструментальными магазинами. На многооперационных станках обрабатывают плоскости, пазы, отверстия корпусных деталей.

Обрабатывающий центр (ОЦ) представляет собой высокоавтоматизированный станок с ЧПУ, дополнительно снабженный специальным инструментальным магазином (до 138 инструментов) для автоматической смены режущего инструмента.

С помощью программного управления на этих станках осуществляются автоматические перемещения заготовок вдоль 3-х координатных осей и её вращение вокруг вертикальной оси поворотного стола. В ряде случаев обрабатывающие центры снабжаются глобусным столом, имеющим не только вертикальную, но и горизонтальную ось вращения, что дает возможность обрабатывать заготовку с разных сторон и под разными углами с одного установа.

Программное управление обрабатывающим центром обеспечивает необходимое изменение скорости вращения шпинделя, рабочей подачи и скоростей холостых перемещений, а также включение и выключение СОЖ и других узлов станка.

На обрабатывающем центре предусматривается автоматическое управление стандартными циклами обработки, исполнение различных функций работы станка. Единственным видом работы, выполняемым на обрабатывающем центре вручную, является установка, закрепление и снятие детали.

На обрабатывающем центре осуществляются почти все процессы обработки резанием: сверление, зенкерование, развертывание, растачивание, нарезание резьбы, фрезерование плоскостей и сложных контуров.

Непрерывное программное управление всеми движениями станка и автоматическая смена большого количества режущих инструментов обеспечивают в некоторых моделях обрабатывающих центров до 500 000 различных положений инструмента относительно обрабатываемого изделия. Это позволяет осуществлять обработку самых сложных корпусных заготовок с одного установа со всех сторон, по всем поверхностям, кроме базовых, по которым производятся установка и закрепление заготовок. Всё это способствует достижению наивысшей точности взаимного расположения обрабатываемых поверхностей.

Автоматизированные технологические комплексы станков с ЧПУ объединяются транспортной системой и управляются средствами вычислительной техники.

Эффективность таких комплексов обеспечивается автоматизацией всех составляющих технологического процесса, применением контрольно-измерительных машин, автоматизированных транспортно-складских систем и промышленных роботов.

5. Система числового программного управления (СЧПУ)

Система числового программного управления представляет собой совокупность специализированных устройств, методов и средств, необходимых для осуществления числового управления. Устройства ЧПУ (УЧПУ) являются частью этой системы, предназначенной для выдачи управляющих воздействий в соответствии с управляющей программой и информацией о состоянии управляемого объекта. По принципу управления движением СЧПУ делятся на позиционные, контурные, универсальные, адаптивные и групповые ЧПУ станками.

Позиционное ЧПУ (позиционное управление) (координатными системами или системами управления положением) обеспечивают установочные и рабочие перемещения инструмента в заданную позицию, причем перемещения не задаются. Для этого в УЧПУ предусмотрен блок, который с необходимой частотой сравнивает действительное и заданное положение исполнительного органа станка. Последовательность позиций инструмента задаётся координатами опорных точек в абсолютной системе координат и циклами обработки. Позиционные ЧПУ применяют в сверлильных и сверлильно-расточных станках, а также в токарно-карусельных и фрезерных станках для обработки прямоугольных контуров.

Контурное ЧПУ - это числовое программное управление станком, при котором рабочие органы станка перемещаются по заданной траектории и с заданной скоростью для получения необходимого контура обработки.

Непрерывные (контурные системы или системы управления движением) предназначены в основном для изготовления деталей с криволинейным профилем. Перемещения в непрерывных СЧПУ задаются как абсолютными координатами, так и приращениями координат. Непрерывные или контурные СЧПУ применяются на токарных и фрезерных станках.

Универсальные СЧПУ позволяют реализовать и позиционный, и контурный принципы управления, необходимые, например, для ОЦ и многооперационных станков, где для фрезерования контуров и поверхностей корпусных деталей требуется непрерывное управление, а для обработки отверстий позиционное управление с использованием стандартных циклов сверлильных операций.

Адаптивное ЧПУ станком (адаптивное управление) - это ЧПУ, при котором обеспечивается автоматическое приспособление процесса обработки заготовки к изменяющимся условиям обработки по определенным критериям.

Групповое ЧПУ станками (групповое управление) - это ЧПУ группой станков от ЭВМ, имеющей общую память для хранения управляющих программ, распределяемы по запросам от станков.

Устройство ЧПУ управляет всеми автоматическими механизмами станка. Конструктивно УЧПУ выполнено как автономный электронный агрегат, имеющий устройство ввода управляющих программ, вычислительную часть, электрический канал связи с автоматическими механизмами станка. Внешний вид УЧПУ во многом определен панелью управления, с которой осуществляется выбор режима управления станком (ручной, наладка, полуавтоматический, автоматический); производится исправление программы в период ее отладки, вводится коррекция, ведется контроль выполнения команд и наблюдение за правильной работой станка и самого устройства ЧПУ и др. Панель управления (пульт) УЧПУ, в свою очередь, определяется системой программирования, принятой для данного устройства, характерными признаками принятой системы программного управления, классом СЧПУ.

В соответствии с международной классификацией все УЧПУ по уровню технических возможностей делятся на следующие основные классы: NC (Numerical Control); SNC (Stored Numerical Control); CNC (Computer Numerical Control); DNC (Direct Numerical Control); HNC (Handled Numerical Control); VNC (Voice Numerical Control).

Станки, оснащенные УЧПУ классов NC и SNC, в настоящее время достаточно распространены. УЧПУ этих классов - наиболее простые системы управления с ограниченным числом информационных каналов. Это устройство с постоянной структурой и управляющей программой, задаваемой на перфоленте.

Системы класса NC работают в следующем режиме. После включения станка и УЧПУ читаются первый и второй кадра управляющей программы. Как только заканчивается их чтение, станок начинает выполнять команды первого кадра. В это время информация второго кадра программы находится в запоминающем устройстве УЧПУ. После выполнения первого кадра станок начинает отрабатывать второй кадр, который для этого выводится из запоминающего устройства. В процессе отработки станком второго кадра система читает третий кадр программы, который вводится в освободившееся от информации второго кадра запоминающее устройство и т.д.

Основным недостатком рассмотренного режима работы является то, что для обработки каждой последующей заготовки из партии системе ЧПУ приходится вновь читать все кадры перфоленты, в процессе такого чтения нередко возникают сбои из-за недостаточно надежной работы считывающих устройств УЧПУ. Повышенная вероятность сбоев в системах класса NC объясняется также очень большим числом кадров перфоленты, поскольку для работы таких систем в программе должно быть записано каждое элементарное действие станка. Кроме того, при таком режиме работы перфолента быстро изнашивается и загрязняется, что ещё более увеличивает вероятность сбоев при чтении. Наконец, если в кадре записаны действия, которые станок выполняет очень быстро, то УЧПУ за это время может не успеть прочитать следующий кадр, что также ведет к сбоям.

УЧПУ типа NC имеют достаточно широкие возможности: линейно-круговая интерполяция (функциональная зависимость между перемещениями вдоль каждой из координатных осей, необходимая для управления движением по круговой траектории обеспечивается линейной и линейно-круговой интерполяцией); коррекция положения инструмента; изменение с пульта управления запрограммированных координат (координаты рабочего органа станка); выдача на станок необходимого числа технологических команд и др.

Системы класса SNC сохраняют все свойства систем класса NC, но помимо этого обладают расширенной памятью на входе для хранения и редактирования управляющих программ. Системы класса SNC позволяют прочитать все кадры программы и разместить информацию в запоминающем устройстве большой емкости. Перфолента читается только один раз перед обработкой всей партии одинаковых деталей и поэтому мало изнашивается. Все заготовки обрабатываются по сигналам из запоминающего устройства, что резко уменьшает вероятность сбоев, а следовательно и брак деталей. Системы SNC позволяют осуществлять однократный ввод управляющих программ при длине перфоленты от 40 до 310 м.

Современные системы ЧПУ - системы типа CNC - построены на базе микропроцессоров и совмещают функции управления станком и решения отдельных задач подготовки управляющих программ. Основу системы CNC составляют: микроЭВМ, запрограммированная на выполнение функций числового программного управления; блоки связи с координатными приводами; блоки выдачи технологических команд в требуемой логической последовательности; системные органы управления и индикации; каналы обмена данными с центральной ЭВМ верхнего уровня.

Особенность систем класса CNC заключается в возможности изменять и корректировать в период эксплуатации (а не только в период проектирования и изготовления системы) как управляющую программу обработки детали, так и программы функционирования самой системы в целях максимального учета особенностей данного станка.

Общая структура алгоритма работы УЧПУ класса CNC:

В запоминающее устройство системы CNC программа может быть введена полностью не только с подготовленного программоносителя (например, перфоленты), но и отдельными кадрами - вручную с пульта УЧПУ. В кадрах программы могут записываться не только команды на задание отдельных движений рабочих органов, но и команды, задающие целые группы движений, называемые постоянными циклами, которые хранятся в запоминающем устройстве системы программного управления. Это приводит к резкому уменьшению числа кадров программы и к соответствующему повышению надежности работы станка.

Системы класса CNC позволяют достаточно просто выполнять в режиме диалога доработку и отладку программ и их редактирование, используя ручной ввод информации и вывод её на дисплей, а также получать отредактированную и отработанную программу на перфоленте, магнитном диске или другом программоносителе. Кроме того, по одной программе можно работать в различных масштабах, в режиме «матрица - пуансон», в режиме зеркального отображения и т.д. В процессе работы допускаются самые различные виды коррекций. Многие УЧПУ этого класса имеют математическое обеспечение, с помощью которого можно учитывать и автоматически корректировать постоянные погрешности станка и тем самым влиять на совокупность причин, определяющих точность обработки.

Неотъемлемой частью современных УЧПУ класса CNC является обширная встроенная память, которая может быть использована в качестве архива управляющих программ.

Устройства ЧПУ класса DNC являются устройствами централизованного управления группой станков от ЭВМ. В функции DNC входит управление и другим оборудованием автоматизированного участка, например, автоматизированным складом, транспортной системой и промышленными роботами. Редактирование управляющих программ в DNC возможно на внешней ЭВМ, на которой ведётся автоматизированная подготовка УП, на ЭВМ, управляющей группой станков, и на ЭВМ, встроенной в устройство ЧПУ конкретного станка. Во всех случаях подготовленные и отредактированные УП для оборудования участка хранятся в памяти ЭВМ, управляющей группой станков, откуда они передаются на станки по каналам связи.

Разновидностью CNC являются оперативные системы типа HNC, в которых, в отличие от обычных систем CNC отсутствует программоноситель. Программа вводится с клавиатуры на панели управления, и хранятся в памяти системы. Эта система специализирована по функциональному и технологическому назначению и обеспечивает ввод УП с пульта управления (программирование), её автоматическую отработку, редактирование и хранение, ввод различных коррекций. УЧПУ типа HNC предусмотрена возможность записи УП по результатам обработки первой детали в ручном режиме. Особенностью задания программы в системе HNC является то, что ввод её осуществляется не только на стандартном языке (в коде ISO и EIA), но и с помощью задания геометрических элементов контура поверхностей.

Системы HNC имеют ряд преимуществ: повысилась роль оператора (решение проблемы высококвалифицированной рабочей силы); процесс программирования упростился до уровня, не требующего предварительной подготовки УП инженером.

Система HNC позволяют организовать многостаночное обслуживание, эффективно автоматизировать процесс выполнения простейших операций при размерах партии заготовок менее десяти штук.

Недостатком систем класса HNC являются большие затраты времени на ввод и редактирование больших по объему управляющих программ, а также с необходимостью повторного ввода программы (из-за ограниченного объема памяти для их хранения), когда между изготовлением разных партий одной и той же детали изготавливают другие детали.

УЧПУ класса VNC - это диалоговые системы управления, которые позволяют вводить информацию непосредственно голосом. Принятая информация преобразуется в управляющую программу и затем в виде графики и текста отображается на дисплее, чем обеспечивается визуальный контроль введенных данных, их корректировка и отработка. УЧПУ класса VNC пока ещё не получили распространения в промышленности, но, вероятно, в ближайшем будущем будут представлены широко как наиболее совершенные конструкции, обеспечивающие сервисные возможности высочайшего уровня.

6. Технологические возможности станков с ЧПУ

Технологические возможности станков с ЧПУ обеспечивают менее жесткие ограничения по конструктивным формам деталей в сравнении с обработкой на станках других типов.

Для токарных станков с ЧПУ вполне технологичными являются сочетания цилиндрических, конических и криволинейных поверхностей. Здесь допустимы разные радиусы галтелей, ширина канавок и винтовые поверхности с переменным шагом.

Для обработки на фрезерных, сверлильно-фрезерно-расточных станках и обрабатывающих центрах с контурной и универсальной системами управления допустимы сочетания криволинейных, плоских и объемных поверхностей с поверхностями простой формы. Здесь возможна обработка канавок и резьбовых поверхностей в отверстиях корпусных деталей методами расфрезерования.

При анализе технологичности деталей, обрабатываемых на станках с ЧПУ, необходимо учитывать требования надежного удаления стружки, максимального упрощения программирования, обеспечения благоприятных условий работы режущего инструмента, надёжного закрепления заготовки, обеспечивающего возможность обработки максимального числа её поверхностей и одновременно высокую жесткость системы заготовка - приспособление. При автоматической загрузке заготовок дополнительно следует учитывать возможность их ориентирования и захвата загрузочным устройством.

7. Проектирование технологических процессов механической обработки заготовок на станках с ЧПУ

Определение последовательности обработки

Установление последовательности обработки следует начинать с определения количества установов и позиций заготовки на столе или шпинделе станка, необходимых для её полной обработки.

Первый установ, как правило, выбирается из условия наиболее удобного базирования заготовки на черновые или чистовые базы, заранее подготовленные на станках с ручным управлением. При первом установе, выполняемом от черновой базы, желательно произвести обработку всех поверхностей, используемых в качестве технологических баз при последующих установах заготовки. Например, при определении последовательности изготовления корпусной заготовки на первом установе следует обработать плоскость и два установочных отверстия, используя фрезерный станок с ЧПУ. План дальнейшей обработки заготовки на фрезерных или расточных станках с ЧПУ или обрабатывающих центрах можно строить, используя эти поверхности в качестве постоянных технологических баз.

Важной задачей определения последовательности операций является обеспечение полной обработки заготовки со всех сторон с наименьшим числом установов и при минимальной технологической оснастке.

В процессе разработки схемы последовательности обработки проводится эскизное проектирование приспособлений для базирования и закрепления заготовки на каждом установе.

После выяснения требуемого количества и последовательности установов определяется последовательность обработки по зонам, образованным конструктивными особенностями заготовки (внутренние и наружные контуры, окна и др.). В каждой зоне выделяются отдельные элементы (торец, внутренний контур, окна, крепёжные отверстия) для которых устанавливается вид обработки (черновой, чистовой) и требуемые типоразмеры режущих инструментов.

Технологическая операция механической обработки заготовки на станке с ЧПУ, в отличие от общего определения понятия технологической операции ограничена дополнительным условием её выполнения при одной наладке станка. Она может быть определена следующим образом.

Технологическая операция механической обработки на станке с ЧПУ - это часть технологического процесса, выполняемая непрерывно на одном рабочем месте, при одной наладке, над одним или несколькими одновременно обрабатываемыми изделиями, одним или несколькими рабочими.

После определения последовательности переходов приступают к выбору режущего инструмента и определению его количества. Для одинаковых переходов предусматривают один инструмент, которым можно выполнить однотипные переходы (черновое или чистовое обтачивание или растачивание на токарных станках; прорезку канавок разной ширины и т.д.). Выбранное количество инструментов не должно превышать то, которое может быть установлено на станке.

Режимы резания для станков с ЧПУ выбирают по общемашиностроительным нормативам режимов резания.

В ряде случаев для повышения надежности протекания процесса резания параметры обработки уменьшают на 10 -15% по сравнению с нормативными значениями.

8. Системы координат

В процессе подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ деталь рассматривается в системе станок - приспособление - инструмент - деталь (СПИД). Заготовка устанавливается на станке с помощью приспособления, которое фиксирует положение детали относительно начального положения рабочих органов станка, определяющих и положение режущего инструмента.

Траектория инструмента строится относительно контура детали, а затем преобразуется в движение соответствующих органов станка. Для этого используются системы координат детали, станка и инструмента.

Система координат детали

Система координат детали служит для пересчета размеров заданных на чертеже детали, в координаты опорных точек её контура. В этой же системе координат производится расчет опорных точек траектории инструмента. Опорными называют точки начала, конца, пересечения или касания геометрических элементов, из которых образованы линии контура детали и траектории инструмента.

В качестве системы координат детали принимается правая прямоугольная система. Расстояния x, y, z, от точки до трех взаимно перпендикулярных координатных плоскостей, взятые с определенным знаком, являются соответственно абсциссой, ординатой и аппликатой этой точки в данной системе координат.

Рис. 1. Правая прямоугольная система координат

Реже применяют цилиндрическую и сферическую систему координат.

Рис. 2. Цилиндрическая система координат



В цилиндрической системе координатами точки являются радиус-вектор с, центральный угол проекции точи на основную плоскость ц и аппликата z.

Рис. 3. Сферическая система координат

В сферической системе координат точка задается радиус-вектором r, долготой ц и полярным углом и. Частными случаями объемных трехкоординатных систем являются плоские двухкоординатные системы - прямоугольная и полярная.

При выборе системы координат детали желательно для упрощения вычислений координатные плоскости совместить с поверхностями технологических баз или расположить их параллельно; координатные оси совместить с размерными линиями, относительно которых проставлено наибольшее число размеров, или с осями симметрии; начало координат расположить так, чтобы все или большинство точек контура детали имели положительные значения координат; направление координатных осей выбрать таким же, как и в системе координат станка.

Система координат станка.

Система координат станка является главной расчетной системой, в которой определяются предельные приращения, начальные и текущие положения рабочих органов станка. Систему координат станка принято называть стандартной. Стандартная система координат представляет собой правую прямоугольную декартову систему координат. В правой прямоугольной системе положительные направления осей координат определяются по правилу правой руки. Большой палец указывает положительное направление оси абсцисс (Х), указательный - оси ординат (Y) и средний - оси аппликат (Z). Положительные направления вращений вокруг этих осей определяются другим правилом правой руки. Согласно этому правилу, если расположить большой палец по направлению оси, то остальные согнутые пальцы укажут положительное направление вращения.

Ориентация осей стандартной системы координат станка связывается с направлением движения при сверлении на сверлильных, расточных, фрезерных и токарных станках. Направление вывода сверла из заготовки принято в качестве положительного для оси Z. Ось Х перпендикулярна к оси Z и параллельна плоскости установа заготовки. Если такому определению соответствуют две оси, то за ось Х принимают ту, вдоль которой возможно большее перемещение узла станка. При известных осях X и Z ось Y однозначно определяется из условия расположения осей в правой прямоугольной системе координат.

Начало стандартной системы координат станка обычно совмещается с базовой точкой узла, несущего заготовку, зафиксированного в таком положении, при котором все перемещения рабочих органов станка могли бы описываться положительными координатами.

Стандартной системой координат токарного станка служит двухкоординатная система X_c Z_c. За начало этой системы принимают базовую точку шпиндельного узла. Положительные направления осей координат токарного станка выбирают в соответствии с расположением инструмента на станке. На рис. 4 показано направление осей при расположении инструмента над или за осью вращения шпинделя и под или перед осью.



Рис. 4. Направление осей при расположении инструмента над или за осью вращения шпинделя

Рис. 5. Направление осей при расположении инструмента под или перед осью вращения шпинделя

В качестве стандартной для станков сверлильной, расточной и фрезерной групп применяется трехкоординатная система X_c Y_c Z_c. За начало этой системы координат принимают базовую точку стола в одном из его крайних положений. Направления координатных осей этой системы координат связаны с конструкцией станка. На рис. 6 показано направление осей для станков с вертикальным, а на рис. 7 - с горизонтальным расположением шпинделя.



Рис. 6. Направление осей для станков с вертикальным расположением шпинделя

Рис. 7. Направление осей для станков с горизонтальным расположением шпинделя

Движения рабочих органов станка задаются в управляющей программе координатами или приращениями координат базовых точек в системе координатных осей, определенных в стандартной системе координат. Система координат рабочих органов станка представляет собой совокупность отдельных управляемых по программе координат, каждая из которых закреплена за конкретным рабочим органом станка и имеет индивидуальное обозначение, направление и начало отсчета.

Для обеспечения общности методов подготовки управляющих программ предлагаются следующие обозначения и направления осей координат рабочих органов станка: координатные оси рабочих органов станка, несущие инструмент, обозначаются буквами X, Y, и Z. Если на станке имеется несколько рабочих органов для перемещения инструментов, то указанные обозначения относятся к первичным осям. Для обозначения вторичных осей, параллельных первичным, используются буквы U, М и W, а для третичных - P, Q и R. Координатные оси рабочих органов станка, перемещающих заготовку, направлены противоположно соответствующим осям рабочих органов, перемещающих инструмент, и их обозначают теми же буквами со штрихами.

В УЧПУ направление координатных осей рабочих органов станка отображается так, что если для реализации запрограммированного движения инструмента относительно заготовки необходимо переместить рабочий орган станка с инструментом, то это движение выполняется с заданным в управляющей программе знаком, а если требуется переместить рабочий орган с заготовкой, то знак направления движения изменяется на противоположный.

При программировании и наладке станка для работы по управляющей программе используют некоторые характерные точки, называемые нулевой, исходной и фиксированной точками станка.

Нулевая точка - точка, принятая за начало системы координат станка. Эта точка определена относительно конструктивных элементов станка. Относительно нулевой точки станка задаются в управляющей программе абсолютные размеры перемещений рабочих органов станка, если начало отсчета перемещений не смещено с помощью «плавающего нуля». «Плавающий нуль» - это свойство УЧПУ помещать начало отсчета перемещений рабочего органа в любое положение относительно нулевой точки станка.

Исходная точка - точка, определенная относительно нулевой точки станка и используемая для начала работы по управляющей программе. С исходными точками станка совмещаются базовые точки рабочих органов перед началом работы станка по управляющей программе. Исходные точки станка выбирают из условий минимизации вспомогательных ходов, обеспечения безопасности смены инструмента и удобства закрепления заготовки на станке.

Фиксированная точка - точка, определенная относительно нулевой точки станка и используемая для определения положения рабочего органа станка. Совмещение базовых точек рабочих органов с фиксированными точками станка производится с помощью вмонтированных в узлы станка специальных датчиков положения. В фиксированную точку станка рабочий орган приводится в два этапа: сначала в зону действия датчика по команде с пульта УЧПУ или по заданному в управляющей программе перемещению, а затем с высокой точностью непосредственно в фиксированную точку станка, что позволяет исключить ранее накопленную погрешность положения рабочего органа.

Система координат инструмента

Система координат инструмента предназначена для задания положения его режущей части относительно державки.

Инструмент описывается в рабочем положении в сборе с державкой РИС. При описании всего многообразия для станков с ЧПУ удобно использовать единую систему координат инструмента X_и Z_и, оси которой параллельны соответствующим осям стандартной системы координат станка и направлены в туже сторону. Начало системы координат инструмента принимают в базовой точке инструментального блока, выбираемой с учетом особенностей его установки на станке.

Режущая часть инструмента характеризуется положением его вершины и режущих кромок. Вершина инструмента задается радиусом закругления R и координатами x_ив и z_ив её настроечной точки В, положение которой относительно начала системы координат инструмента обеспечивается настройкой инструментального блока вне станка на специальном приспособлении. Положение режущей кромки резца задается главным ц и вспомогательным ц₁ углами в плане рис 35 (стр. 50) , а для сверл - углом 2 ц при вершине и диаметром D РИС.. Вершина вращающегося инструмента лежит на оси вращения, и поэтому, для её задания достаточно указать аппликату z_ив.

Настроечная точка инструмента В обычно используется в качестве расчетной при вычислении траектории инструмента, элементы которой параллельны координатным осям. Расчетной точкой криволинейной траектории служит центр закругления Ц при вершине инструмента.

Рис. 8. Система координат инструмента

9. Обработка контуров и поверхностей

Все элементы деталей обрабатываемых на фрезерных станках можно разделить на две группы: элементы, поверхности которых получаются проходом фрезы вдоль контура, и элементы, поверхности которых требуют многопроходной обработки заготовки.

В зависимости от числа одновременно управляемых координат различают плоскую и объемную обработку контуров и поверхностей детали. Плоская обработка предполагает проведение рабочих ходов в плоскости, параллельной одной из координатных плоскостей. Объемная обработка ведется одновременно по трем и более координатам.

Для обработки контуров и поверхностей применяются концевые цилиндрические, концевые сферические, концевые шаровые, концевые конические, торцевые и дисковые фрезы.

Операции обработки на фрезерных станках с ЧПУ включают технологические переходы, выполняемые и другими инструментами, характерными для обработки отверстий - сверлами, зенкерами, развертками и др.

Последовательность переходов определяют, учитывая необходимость обеспечения требуемой точности обработки и сокращения продолжительности вспомогательного переходов.

Операции фрезерования, как правило, начинают с черновой обработки внешних и внутренних поверхностей большой протяженности, а затем производят чистовую обработку этих поверхностей. Далее обрабатывают большие, а затем мелкие отверстия. Для программирования технологических переходов фрезерования применяют типовые схемы обработки контуров, плоскостей и поверхностей.

Схемы обработки контуров

Контуры обрабатывают концевыми фрезами. Траектория перемещения инструмента состоит из участков подвода фрезы к обрабатываемой поверхности (включая врезание), прохода вдоль обрабатываемого контура и отвода фрезы от обработанной поверхности.

Участку врезания следует уделить особое внимание, т.к. на нем происходит нагружение инструмента силой резания. Этот участок при чистовой обработке должен быть построен таким образом, чтобы сила резания на нем нарастала и плавно приближалась по величине и направлению к силе, действующей на рабочем участке обрабатываемого профиля, что обеспечивается вводом инструмента в зону резания по касательной к обрабатываемому контуру.

При черновой обработке врезание обычно производят по нормали к контуру. Аналогично строят участки выхода фрезы из зоны резания.

Траектория перемещения инструмента при обходе контура может иметь участки с резким изменением направления движения, что вызывает искажение контура вследствие упругих деформаций инструмента в процессе резания и динамических погрешностей привода подач станка. Искажение контура можно исключить или уменьшить путем снижения скорости подачи, уменьшения припуска на обработку, изменения размера инструмента.

Рис. 9. Схемы обработки контуров

Схемы обработки плоскостей

Обработка плоских поверхностей (плоскостей) производится преимущественно концевыми и торцевыми фрезами. В зависимости от расположения обрабатываемых плоскостей относительно граничащих с ними других различают открытые, полуоткрытые и закрытые плоскости.

Граница открытой плоскости не является препятствием для ввода и вывода инструмента на всех её участках.

Полуоткрытая плоскость имеет границу, на одном из участков которой можно вводить и выводить инструмент на уровне плоскости.

Закрытая плоскость ограничена со всех сторон стенками, что позволяет вводить инструмент в зону резания только сверху, либо врезанием, либо в заранее подготовленное отверстие.

Типовые схемы обработки показаны на рис 10.

Рис. 10. Схемы обработки плоскостей

Обработка открытых плоскостей ведется в прямом и обратном направлениях по схеме «зигзаг» при черновом фрезеровании, и строками в прямом направлении по схеме «петля» при чистовом фрезеровании.

Для обработки полуоткрытой плоскости применяется схема «лента», а для обработки закрытой плоскости - схема «виток». Расстояние между проходами принимают равными 0.6-0.8 D фрезы (D_ф).

Для обработки закрытой плоскости, ограниченной окружностью, лучшей траекторией является архимедова спираль. Такая траектория может быть получена на станке с поворотным столом, если совместить центр окружности с осью вращения стола и придать равномерные движения - вращательное столу и поступательное инструменту.

На станках с линейно-круговой интерполяцией можно вести обработку закрытой плоскости по спирали, образованной сопряженными дугами окружностей (рис. 11).

Рис. 11. Двух- (а) и четырехполюсная (б) спирали

Особенности объемного фрезерования

При объемном фрезеровании управление перемещением инструмента непрерывно осуществляется минимум по трем координатам одновременно. Чаще всего для объемного фрезерования используют фрезы со сферическим концом (рис. 11). При этом достаточную сложность представляет определение траектории движения инструмента, начиная от точки его касания с обрабатываемой поверхностью (точка Р). Прежде всего, в соответствии с принятой схемой, рассчитывают расположение инструмента при выполнении двух соседних проходов. При заданных типах и параметрах обрабатываемой поверхности и инструмента это расположение, а следовательно, и глубина фрезерования определяется допустимой высотой гребешка, остающегося на обрабатываемой поверхности между проходами. Эту высоту часто называют допуском на оребрение (Д_ор).

Рис. 12. Схема расчета взаимного расположения инструмента при выполнении соседних проходов объемной обработки вогнутой поверхности

При работе инструмент касается обрабатываемой поверхности в некоторой точке Р в соответствии с нормальным вектором n и мгновенным радиусом кривизны обрабатываемой поверхности

10. Обработка отверстий

На станках с ЧПУ получают отверстия, предназначенные для базирования и крепления присоединительных деталей, базирования заготовок и т.д. Трудоемкость обработки отверстий в ряде деталей достигает 40% и более общей трудоемкости обработки детали, поэтому выбору рациональной схемы обработки отверстий следует уделять особое внимание. Практически все основные типы станков с ЧПУ годятся для обработки отверстий.

Последовательность переходов сверлильной операции выбирают с учетом конфигурации отверстий, допустимых отклонений формы и относительного положения осей отверстий, числа групп одинаковых отверстий на каждой из сторон детали и возможностей станка с ЧПУ.

Технологические переходы обработки отверстий выполняют по типовым схемам, определяющим отдельные ходы для построения участков траектории инструмента и технологические команды. Остальные участки траектории для осуществления вспомогательных переходов, связанных со сменой и подводом инструментов к обрабатываемым отверстиям, формируют при выборе последовательности обработки.

...