Изготовление деталей на станках с ЧПУ

5.2.1. Технологические возможности станков с ЧПУ и требования к конструкции изготавливаемых деталей

Технологические возможности станков с ЧПУ обусловлены их высокой гибкостью, повышенной жесткостью, мощностью и точностью, многоинструментальностью, широким диапазоном частот вращения шпинделя и подач, возможностью коррекции положения режущего инструмента и изменения подачи без кор­ректировки управляющей программы. На таких станках суще­ственно сокращается вспомогательное время вследствие высо­ких скоростей (до 20...22 м/мин) холостых перемещений и ми­нимизации до 2...3 с вспомогательного времени на смену инструмента. Технологические возможности станков с ЧПУ обес­печиваются их конструкцией и функциональными возможнос­тями устройств ЧПУ.

Станки с замкнутой системой управления, имеющие обрат­ную связь по перемещению исполнительного органа, обеспечи­вают более высокую точность позиционирования в сравнении с разомкнутыми, у которых такая связь отсутствует. По характеру программирования траектории перемещения инструмента стан­ки бывают с позиционной или контурной системой управления. При позиционной системе управления программируют только координаты заданных точек, а перемещения из одной точки в другую обеспечивают направляющие станка. Применяют такие системы обычно на сверлильных и расточных станках. При кон­турной системе программируют всю траекторию перемещения инструмента, что обеспечивает возможность обработки криво­линейных контуров. Контурные системы используют на токар­ных, фрезерных и сверлильно-фрезерно-расточных станках.

Токарные станки чаще выпускают с вертикально или наклон­но расположенными направляющими станины. Это обеспечива­ет надежное удаление стружки либо в поддон, либо на транс­портер. Наиболее распространены токарные станки с двумя или тремя координатами управления. В последнем случае кроме пе­ремещения суппорта по двум координатам предусмотрено угло­вое позиционирование шпинделя. Это позволяет автоматизиро­вать процесс установки и снятия несимметричной заготовки, а при наличии револьверной головки с приводом осевого инстру­мента в некоторых позициях и обработку заготовок корпусных деталей. Все современные станки имеют обратную связь между вращением шпинделя и перемещением суппорта для обработки винтовых поверхностей. На станках некоторых конструкций име­ется возможность обработки винтовой поверхности с плавно из­меняющимся шагом.

Для автоматической смены инструмента в подавляющем боль­шинстве случаев используют револьверные головки, которые в сравнении с магазинными устройствами обеспечивают меньшие затраты времени на смену инструмента и экономически более целесообразны. Однако при размещении в головке длинных кон­сольных инструментов возникают проблемы в связи с невозмож­ностью их совместного размещения в зоне обработки. Поэтому в некоторых моделях токарных станков помимо револьверных головок предусматривают магазины инструментов. В других мо­делях возможность столкновения неработающего в данный мо­мент инструмента с заготовкой и приспособлением исключается программно-математическим обеспечением системы ЧПУ. При наладке станка данные по вылетам инструмента и его положе­нию в револьверной головке вводят в память устройства, и при проверке управляющей программы, в случае возникновения ава­рийной ситуации, цикл обработки прерывается.

В зависимости от типа производства используют одно-, двух- или трехсуппортные (рис. 5.1) станки. Независимое управле­ние суппортами обеспечивает возможность последовательной и параллельной односторонней (см. рис. 5.1, а) или многосторон­ней (см. рис. 5.1, б, в) обработки.   

В указанных компоновках заготовка обрабатывается в патро­не (см. рис. 5.1, а, б) или в цанге (см. рис. 5.1, в). В последнем случае заготовка, обработанная в левом шпинделе, захватывает­ся правым шпинделем, вытаскивается из левой цанги на необ­ходимую длину и после отрезки осуществляется обработка ле­вой стороны заготовки.

Рис. 5.1. Варианты компоновок токарных станков с ЧПУ

 

При такой компоновке управляемых ко­ординат может быть семь или восемь с учетом управляемого поворота по координате С. Помимо независимых перемещений суппортов по двум координатам и углового позиционирования шпинделей предусматривается управление их осевым перемеще­нием.

В конструкциях револьверных головок токарных станков с ЧПУ предусмотрена возможность использования вращающихся

инструментов (сверл, зенкеров, разверток, метчиков, пальцевых фрез). Помимо токарных переходов на этих станках можно об­рабатывать радиальные и торцевые отверстия, расположенные не на оси вращения; шпоночные пазы; сложнопрофильные эле­менты на развертке и торцах цилиндра.

Фрезерные станки с ЧПУ имеют вертикальную, горизонталь­ную или комбинированную компоновку и как минимум три уп­равляемые координаты.

В современных моделях сверлильно-фрезерно-расточных стан­ков возможна линейная, круговая или винтовая интерполяция, что обеспечивает возможность формообразования не только кри­волинейных плоских и объемных поверхностей, но и винтовых. На таких станках можно фрезеровать наружные и внутренние резьбовые поверхности, вырезать отверстия в плитах без пред­варительного сверления отверстия для ввода концевой фрезы, обрабатывать методом обкатывания объемные криволинейные поверхности (например, рабочую часть лопаток газовых турбин). Предусмотрена также сплайновая интерполяция (на базе метода конечных элементов) для соединения заданной последователь­ности точек в гладкий непрерывный контур с точным прохож­дением через все точки сплайна при высокоскоростной обра­ботке. Разработчики сверлильно-фрезерно-расточных станков главным образом нацелены на создание системы высокоскорост­ной высокоточной обработки, обеспечивающей сокращение вре­мени на обработку по сравнению с традиционными технология­ми. Максимальная рабочая подача на таком оборудовании со­ставляет 10 000 мм/мин при максимальной частоте вращения шпинделя не менее 20 тыс. об/мин.

Режущие инструменты чаше всего размещают либо в револь­верных головках, либо в магазинах, что обеспечивает их автома­тическую замену при выполнении операции. Помимо фрез в ин­струментальную наладку могут входить мерные инструменты и расточные оправки для обработки гладких или резьбовых отвер­стий.

Сверлильно-фрезерно-расточные станки в основном выпус­кают горизонтальной компоновки с четырьмя координатами уп­равления (три координатных перемещения и вращение стола во­круг оси Y) (рис. 5.2, а). В ряде случаев применяют специаль­ную конструкцию станка, когда дополнительно нужно обеспечить программируемое вращение А вокруг оси X (рис. 5.2, б). Реже применяют станки вертикальной компоновки с программирова­нием трех линейных перемещений. В серийном производстве ис­пользуют двухшпиндельные станки с вертикальным и горизон­тальным шпинделями (рис. 5.2, в), что обеспечивает как после­довательную, так и параллельную многостороннюю обработку.

Рис. 5.2. Варианты компоновок сверлильно-фрезерно­расточных станков с ЧПУ

 

Выпускают станки с вертикальным расположением стола, обес­печивающим надежное стружкоудаление (рис. 5.2, г).

У некоторых моделей станков шпиндельная бабка в процес­се выполнения операции может изменять угловое положение от вертикального до горизонтального. В сочетании с поворотным столом это позволяет обработать все поверхности, кроме базо­вой. Из этих же соображений четырехкоординатные станки ос­нащают угловыми насадками, которые обеспечивают изменениенаправления оси вращения инструмента относительно оси вра­щения шпинделя. Отдельные станки имеют опрокидывающие столы со сквозными окнами, которые позволяют выполнить об­работку со стороны базовой поверхности заготовки.

Сверлильно-фрезерно-расточные станки оснащают инстру­ментальными магазинами, располагающими от 20 до 120 и бо­лее инструментами, которые автоматически могут заменяться в процессе выполнения операции.

 В серийном производстве для сокращения основного вре­мени обработки стремятся совместить выполнение переходов во времени. Для этого применяют комбинированные инстру­менты или многошпиндельные головки, у которых предусмот­рена возможность изменения межцентровых расстояний вруч­ную. Последние также располагаются в инструментальном ма­газине.

Системами ЧПУ оснащают также плоскошлифовальные и бес­центровые круглошлифовальные станки. При создании шлифо­вальных станков с ЧПУ возникают технические трудности сле­дующего характера. Процесс шлифования характеризуется, с од­ной стороны, необходимостью получения высокой точности и качества поверхности при минимальном рассеянии размеров, а с другой — быстрой потерей размерной точности шлифовально­го круга вследствие его интенсивного изнашивания в процессе работы. Поэтому на шлифовальных станках необходимы меха­низмы автоматической компенсации изнашивания шлифоваль­ного круга. Кроме того, ЧПУ должно компенсировать деформа­ции технологической системы, температурные погрешности, раз­личия припусков на заготовках, погрешности станка при перемещении по координатам и т. д. Измерительные системы должны иметь высокую разрешающую способность, обеспечи­вающую жесткие допуски на точность позиционирования. Для шлифовальных станков используют устройства ЧПУ с управле­нием по трем-четырем координатам, но в станках, работающих несколькими кругами, возможно управление по пяти-шести и даже по восьми координатам.

Наибольшее распространение получили круглошлифовальные станки с ЧПУ, дающие максимальный эффект при обработке с одной установки многоступенчатых деталей типа шпинделей, ва­лов электродвигателей, редукторов, турбин и т. д. Высокая про­изводительность обеспечивается в основном в результате сни­жения вспомогательного времени на установку заготовки и съем готовой детали, на переустановку для обработки следующей шей­ки вала, на измерение и т. д. Время обработки многоступенча­тых валов на круглошлифовальном станке с ЧПУ в 1,5—2 раза меньше, чем на станках с ручным управлением.

Бесцентровые круглошлифовальные станки эффективно при­меняют при изготовлении деталей малого и большого диамет­ров без ограничения длины либо тонкостенных деталей, а так­же деталей, имеющих сложные наружные профили (поршень, кулак и т. д.). В условиях массового производства эти станки характеризуются высокой производительностью и точностью об­работки. В мелкосерийном и индивидуальном производстве их применение ограничено в связи с трудоемкостью переналадки.

Применение систем ЧПУ позволило управлять многокоор­динатным функционированием бесцентровых круглошлифоваль­ных станков. В устройстве ЧПУ используют программные мо­дули, которые рассчитывают траектории инструмента (круга, алмаза), его коррекцию и обеспечивают взаимодействие с опе­ратором. Для обработки деталей с различными геометрически­ми формами (конус, шар и т. д.) имеется программное обеспе­чение, содержащее диспетчер режимов, интерполятор и модуль управления приводами. При обработке заготовок и правке круга число сочетаемых управляемых координат может доходить до 19, в том числе по две-три координаты отдельно для правки шли­фовального и ведущего кругов. На станке возможна установка любого из четырех вариантов управления:

1) одна управляемая координата — поперечная подача шли­фовального круга;

2) две управляемые координаты — поперечная подача шли­фовального круга и правящего алмаза в целях их синхронизации;

3) три управляемые координаты — поперечная подача шли­фовального круга, поперечная и продольная подачи алмаза при его правке;

4) пять управляемых координат — поперечная подача шли­фовального круга, а также поперечные и продольные подачи ал­мазов при правке шлифовального и ведущего кругов.

Наличие многокоординатной системы ЧПУ обеспечивает большую универсальность таких станков, малые подачи кругов, что позволяет эффективно управлять процессами шлифования и правки.

Решающее влияние на технологические возможности стан­ков с ЧПУ оказывают их конструкция и математическое обес­печение устройства ЧПУ. Первые устройства типа NC (Numerical Control) обладали достаточно широкими технологическими воз­можностями: линейно-круговой интерполяцией, коррекцией по­ложения инструментов, выдачей необходимого числа техноло­гических команд и др. Однако они имели существенные недо­статки, в частности, не позволяли хранить и редактировать управляющие программы непосредственно на рабочем месте.

Устройства второго поколения типа SNC (Stary Numerical Control) — системы с расширенной памятью на входе для хра­нения и редакции управляющих программ — были результатом доработки систем типа NC. Основной недостаток устройств NC и SNC — возможность изменения и расширения их функцио­нальных возможностей.

Устройства ЧПУ третьего поколения — системы типа CNC (Computerized Numerical Control) были построены на базе микро- ЭВМ. Они резко расширили функциональные возможности про­граммного управления: обеспечивают хранение и редактирование программы непосредственно на рабочем месте, имеют развитые системы диагностики и управления качеством обрабатываемых поверхностей с использованием активного контроля, расширен­ные возможности индикации информации на дисплее, диалого­вое общение с оператором, перепрограммирование первоначаль­но заложенных функциональных возможностей устройства при его эксплуатации. Системы CNC позволяют организовать много­станочное обслуживание, эффективно автоматизировать процесс выполнения простейших операций при размерах партии загото­вок менее 10 шт. К недостаткам таких систем можно отнести большие затраты времени на ввод и редактирование значитель­ных по объему управляющих программ. Моделями данного ряда являются устройства «Размер-4», «Размер-5», Н55-1, Н55-2, а так­же и оперативные устройства «Электроника НЦ-31», «Электро­ника НЦ-80-ОГ», 2Р-22, 2Р-32, 2С-42.

Для устройств ЧПУ четвертого поколения характерно блоч­ное мультипроцессорное исполнение. В качестве их элементной базы используют специальные большие интегральные схемы и микроЭВМ. Программирование технологических функций и ди­алоговых режимов осуществляется на языках высокого уровня. К моделям данного ряда можно отнести устройства «Электро­ника МС2101», ЗС100, ЗС200. Ввод программы в них осуществ­ляется как непосредственно с клавиатуры, так и с электронной кассеты или кассеты на цифровых магнитных доменах.

Современные устройства ЧПУ («Маяк», Integral) создают на базе промышленных и персональных компьютеров. Использова­ние PC-совместимой материнской платы и операционных сис­тем Windows, Linux позволяет конструировать устройства ЧПУ на базе широко применяемых во всем мире компьютерных ком­понентов. В этих устройствах реализуются все современные до­стижения, свойственные персональным компьютерам: языки про­граммирования высокого уровня, программно-математическое обеспечение, системы ввода, хранения и обмена информации, возможность структурного изменения, возможность выполнения функций самонастройки и адаптации и др. Жесткий диск боль­шой мощности многократно расширяет память управляющих тех­нологических программ. Внешняя связь с устройством ЧПУ обес­печивается с помощью простого последовательного интерфейса или посредством локальной сети. Устройства ЧПУ, основанные на открытой архитектуре, могут интегрировать программное обес­печение пользователя, учитывая специфику требований конк­ретного применения системы.

В современных устройствах ЧПУ используются решения, обеспечивающие компенсацию возмущающих воздействий про­цесса обработки, погрешностей кинематики станка и погрешно­стей, связанных с изменением окружающей среды (температу­ры, колебания питающего напряжения и т. д.). Адаптивная сис­тема управления перемещением по координатам (осям) устраняет резонансные явления, компенсирует ошибку регулирования в реальном масштабе времени.

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 резьбовых поверхностей не требуются канавки для вы­хода резца.

Для обработки на фрезерных и сверлильно-фрезерно-расточ­ных станках с контурной системой 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 или планетарного растачивания.

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

Конструкция заготовки детали должна быть такой, чтобы для обработки требовалось минимальное количество инструментов. Этому способствует рациональное оформление канавок (рис. 5.3, о) и широкая унификация размеров основных и крепежных отвер­стий. Для уменьшения объема работ по подготовке управляю­щей программы следует радиусы r закруглений внутренних кон­туров выполнять одинаковыми и согласованными с диаметром фрезы: (рис. 5.3, б). Технологичной является симмет­ричная форма детали, когда по одной программе заготовка мо­жет быть обработана с двух сторон (рис. 5.3, в).

Криволинейные поверхности целесообразно профилировать участками прямых линий и дуг окружностей, что облегчает

Рис. 5.3. Технологичные для изготовления на станках с ЧПУ конструк­ции деталей

под­готовку программы, так как станки обычно имеют линейно-круговые интерполяторы. На рис. 5.4 показаны две конструкции плоской криволинейной поверхности. В первой (см. рис. 5.4, а) направление строк обхода контура возможно только вдоль оси X, во второй (см. рис. 5.4, б) — как вдоль оси X, так и вдоль оси Y. Учитывая, что объем расчетов по определению координат опор­ных точек значительно меньше при движении по оси Y, чем по оси X, второй вариант более технологичен.

Рис. 5.4. Цельная (а) и составная (б) конструкции деталей

 

Радиусы фрезерования в карманах (см. рис. 5.3, б), окнах, занижениях следует по возможности увеличивать, что повышает жесткость инструмента. Из этих же соображений конструкцию корпусной детали, имеющей соосные отверстия в двух стенках, следует проектировать так, чтобы при растачивании отношение длины к диаметру фрезы было не более 6.

При многопереходной обработке целесообразно вместо глу­хих отверстий и карманов предусматривать сквозные отверстия и окна, что способствует лучшему стружкоудалению. Конструк­ция должна способствовать исключению или максимальному уменьшению последующей после обработки на станках с ЧПУ станочной или ручной доработки. Для этого нецелесообразно предусматривать резьбовые отверстия менее М6. Точность ци­линдрических наружных поверхностей должна быть не выше IT6, а внутренних — IT7; шероховатость — не ниже Ra = 0,8 мкм.

Особое внимание нужно уделять простановке размеров на чертеже детали. Координаты осей отверстий следует проставлять в декартовой, а не в полярной системе координат. В противном случае их приходится пересчитывать при подготовке управляю­щей программы. В общем случае размеры задают от принятых технологических баз.

Рис. 5.5. Варианты простановки осевых размеров на чертеже сту­пенчатого вала

 

Простановка осевых размеров, технологичная при обработке на универсальном токарном станке (рис. 5.5, а), недопустима при обработке на станке с ЧПУ. В последнем случае при выдер­живании размеров и (см. рис. 5.5, а) возникает погрешность базирования, равная допуску на размер L, который обычно пре­вышает допуски на и . При обработке на станке с ЧПУ осе­вые размеры следует проставлять, как показано на рис. 5.5, б.