Содержание к диссертации
Введение
Глава I Основные методы обработки корпусных деталей на многофункциональном оборудовании с ЧПУ
1.1. Основные особенности подготовки и организации механической обработки
1.2. Особенности производительных методов обработки сложных поверхностей при использовании многофункционального оборудования 20
Выводы по главе I 35
Глава II Основные подходы к формированию 36 технологического обеспечения для обработки КД на МФО с ЧПУ
2.1. Общие схемы решения и задачи обеспечения ТПП 36
2.2. Описание элементов технологического обеспечения при реализации автоматизированных режимов обработки
2.3. Формирование управляющих программ для обработки корпусных деталей с использованием информационных технологий
2.4. Особенности программирования обработки корпусной детали со стойки ЧПУ 52
2.5 Специфика и основные проблемы обработки корпусных деталей при использовании универсальных САМ систем (на примере корпусной детали HI 111 «ЭГА» и универсальной системы T-FLEX ЧПУ) 57
Выводы по Главе II 63
Глава III Методика представления корпусной детали на ЭВМ в рамках модульного подхода для обработки на многофункциональном оборудовании с ЧПУ 64
3.1. Модульный подход описания и построения технологического обеспечения 64
3.2. Особенности компьютерного представления описания КД на ЭВМ 77
3.2.1. Организация отбора данных из таблиц с нормативно - справочной информацией 82
3.3. Формирование управляющих программ для обработки корпусных деталей с использованием компьютерного моделирования 85
Выводы по Главе III 95
Глава IV Проектирование и реализация технологических 96 процессов обработки корпусных деталей на МФО
4.1. Основные положения подготовки расчетов технологии обработки КД на МФО с ЧПУ
4.2. Разработка ТПП с учетом возможностей КТЭФ 106
4.3. Оценка эффективности обработки в различных технологических схемах
Выводы по Главе IV 120
Общие выводы и заключение 121
Список литературы
- Основные особенности подготовки и организации механической обработки
- Особенности производительных методов обработки сложных поверхностей при использовании многофункционального оборудования
- Описание элементов технологического обеспечения при реализации автоматизированных режимов обработки
- Особенности компьютерного представления описания КД на ЭВМ
Введение к работе
Актуальность работы. При организации работы промышленных предприятий в условиях рыночной экономики главным показателем деятельности становится достижение прибыльности, экономичности, производительности и высокой гибкости производства без ущерба качеству и себестоимости готовых изделий машиностроения.
Развитие современных машиностроительных производств все в большей и большей степени базируется на росте возможностей информационных технологий (ИТ). Эти возможности ИТ для развития машиностроения особенно проявляются через постоянное обновление современными системами ЧПУ станочного парка [78] и совершенствование программных систем PLM/CAD/CAE/CAM - класса [37].
В наибольшей степени все эти новые возможности ИТ в машиностроении проявляются в ходе процесса технологической подготовки производства (ТПП). В последнее время этот процесс претерпевает серьезные изменения, связанные как с насыщением нового станочного оборудования с ЧПУ библиотеками внутренних циклов обработки, так и существенными изменениями инструментального обеспечения, предназначенного для механической обработки.
Новые направление в инструментальном обеспечении [73], предлагаемые такими производителями как Sandvik, не только расширяют область использования технологии механической обработки, но и методически поддерживают новые технологические решения нормативно — справочной информацией [18], позволяющей осуществить комплекс необходимых расчетов по выбору наиболее рациональных и высокопроизводительных схем механической обработки.
Разработка инструментальных технологий, ориентированных на решение прикладных задач компьютерной подготовки производства, ведется уже много лет в МГТУ «Станкин» в рамках работы над интегрированной интеллектуальной системой (ИнИС) и системой автоматизированной поддержки информационных решений (САПИР), как одной из компонент [1].
Исследование процессов проектирования и реализации механической обработки проводится путем использования современных компьютерных технологий моделирования всех компонентов реальных операционных действий. В основе используемых методик лежат возможности CAD/САМ систем для представления и расчета технологических процессов и современная нормативно-справочная информация, предоставляемая ведущими производителями многофункционального оборудования и инструмента[70].
Особенно актуальна задача совершенствования информационных средств поддержки процессов технологической подготовки производства таких широко распространенных видов механической обработки как обработка корпусных изделий, пресс-форм, обработка криволинейных поверхностей (NURBS -поверхностей), фрезерование сложных поверхностей вращения и т.д[15].
При этом новые возможности требуют всесторонней оценки ожидаемых результатов в ходе компьютерного моделирования обработки на станках с ЧПУ. Очень важно заблаговременно оценить технико - экономические показатели эффективности использования высокопроизводительных режимов резания и основные технические и экономические показатели их внедрения на конкретных предприятиях машиностроения.
Описание изделия, инструмента и технологической оснастки в цифровом формате в ходе компьютерного моделирования и расчета режимов резания могут быть информационной базой для технико - экономическое обоснования перехода к многофункциональному оборудованию. Эти же данные в дальнейшем могут быть использованы как компьютерное презентационное представление всей совокупности происходящих процессов, связанных с переходом от традиционного оборудования к многофункциональному оборудованию с ЧПУ. Это облегчает специалистам обоснованно принять решение об эффективности, производительности, безопасности и экономической целесообразности предлагаемых вариантов механической обработки на многофункциональном оборудовании с ЧПУ.
Вопросы подготовки производства для МФО с ЧПУ отчетливо проявляются на примерах обработки деталей сложной формы, к которым относятся в частности корпусные детали (КД).
Усиленное внимание машиностроителей к обработке корпусных деталей (КД) во многом определяется тем, что от результатов этой механической обработки зависят качество, надежность, экономичность и долговечность выпускаемых технических изделий. Литературные источники указывают [71], что КД могут составлять до 27 % от общего количества деталей в изделии машиностроения, в тоже время трудоемкость их механической обработки может доходить до 60% от общей трудоемкости всего изделия (данные по результатам анализа обрабатываемых деталей в 11 отраслях машиностроения).
Основные технические условия для изготовления корпусных деталей методами механической обработки характеризуются следующими показателями [72]:
Сложная форма поверхностей для обработки (в том числе и использование NURBS поверхностей);
РІепрямолинейность и непарраллельность основных поверхностей 0.05...0.1 мм на всю их длину, шероховатость поверхностей Ra=0.6...5 мкм;
Большое количество разнообразных параметрически настраиваемых конструкторско - технологических элементов формы (КТЭФ) (плоскости, различные типы отверстий, пазы, уступы и т.д.);
Точность обработки отдельных элементов КТЭФ может находиться на уровне микронов (например, основные отверстия обрабатываются по 6-7 квалитетам точности. Погрешность формы — 0.5...0.7 от допуска, шероховатость Ra=0.05...2.0 мкм);
Большое количество согласованных между собой размеров (например, допуски на межосевые расстояния отверстий под валы могут доходить до 0.02...0.1 мм);
Неперпендикулярность опорных торцов к осям основных отверстий 0.01...0.05 мм на 100 мм длины радиуса.
При массовом и крупносерийном производстве в машиностроении механическая обработка КД традиционно выполнялась на автоматических линиях (АЛ). С уменьшением серийности производства и повышением его гибкости сегодня все больше и больше изготовление КД переводится на многофункциональное оборудование (МФО), оснащенное специализированными системами с ЧПУ.
Сравнительные характеристики использования многофункционального оборудования и АЛ для изготовления корпусных деталей приведены в таблице 0.1. Для текущего состояния машиностроительного производства в России очень важен показатель «возможности варьирования ТП».
В автоматических линиях данный показатель практически не изменен из - за «жесткого» характера решений, связанного с системой управления оборудованием. Переход к производству новой корпусной детали на МФО обычно предполагает только замену инструментального обеспечения и перепрограммирование стойки с ЧПУ, т.е. МФО обеспечивает достаточно «гибкое» решение по сравнению с АЛ.
Приведенные оценки показывают, что переход от жестких к гибким решениям дает ощутимые результаты по повышению эффективности обработки. (В дальнейшем данный результат подтверждается при проектировании конкретных примеров обработки корпусных деталей.)
Типовые условия задачи разработки УП для обработки КД на многофункциональном оборудовании с ЧПУ показаны в таблице 0.2. В этой таблице знаком «+» отмечены показатели, которые известны до начала обработки, а знаком «-» отмечены показатели, которые нужно получить в ходе разработки. Знак «+/-» в позиции твердотельная модель призван подчеркнуть тот факт, что 3D модель корпусной детали может быть составляющей исходных данных или же она обязательно должна быть построена в ходе разработки. Знак «+/-» в позиции МФО указывает на то, что разработка технологического процесса на обработку КД ведется на уже закупленное оборудование («+») или только планируемое к покупке через тендер («-»). Но в том и другом случае требуется доскональное технико -экономическое обоснование расходов, связанных с использованием МФО при обработке КД.
Использование многофункционального оборудования, оснащенного современными системами с ЧПУ и многоцелевым инструментом, позволяет обеспечить сложные по конфигурации траектории движения инструмента (3-5 координатная обработка). Все это вместе взятое делает весьма актуальной разработку современных организационно — методических решений по технологической подготовке производства корпусных деталей на МФО с ЧПУ в компьютерной среде.
Широко используя современные инструменты и многофункциональное оборудование с ЧПУ, производственные технологи остро нуждаются в организационно - методических рекомендациях для расчетов и моделирования высокопроизводительных режимов резания.
Табл. 0.1. Сравнительные характеристики использования автоматических линий (АЛ) и і
(МФО) для изготовления корпусных деталей
Табл. 0.2. Типовые условия задачи разработки УП для обработки корпусны:
Последовательность причинно — следственных связей, оказывающих существенное влияние на ход материализации заготовки в корпусную деталь на оборудовании с ЧПУ, приведена на рисунке 0.1.
Традиционная схема организации ТПП КД (рис. 0.1а) требует наличия МФО (станок + стойка с ЧПУ), а данное оборудование сегодня практически не может эксплуатироваться без САМ - систем. Последние в свою очередь требуют 3D -моделирования как заготовки, так и корпусной детали, разработки операционной технологии преобразования заготовки в корпусную деталь. В ходе этого этапа решаются задачи инструментального обеспечения (выбор состава инструментов, расчеты параметров обработки, сроки службы инструмента и т.д.).
Предлагаемая в данной работе схема организации ТПП КД (рис. 0.16) основана на трех составляющих:
Создании методики представления КД на ЭВМ;
Подбор с помощью ЭВМ необходимой нормативно- правочной информации;
Использовании организационно — методических рекомендаций по подготовке УП для обработки КД на МФО с ЧПУ.
Использование многофункциональных обрабатывающих центров является передовой тенденцией развития механической обработки в мире и требует развития инструментального и информационного обеспечения проектирования и расчета технологических процессов.
Именно поэтому в настоящее время актуально предоставить технологам необходимые организационно - методические рекомендации, учитывающие возможности ИТ, для расчетов и моделирования высокоскоростных режимов резания, широко используемых при применении современного инструмента и многофункционального оборудования с ЧПУ в производственных условиях.
Цель работы. Сокращение времени и повышение качества и производительности процесса технологической подготовки производства на основе информационной поддержки деятельности технолога при обработке корпусных деталей на многофункциональном оборудовании с ЧПУ на высокопроизводительных режимах резания.
Для достижения указанной цели потребовалось решить следующие задачи:
Выявить особенности решения технологических задач при механической обработке корпусных деталей, связанных с возможностью программирования многофункционального оборудования с ЧПУ на основе применения библиотеки внутренних циклов для обработки параметризованных конструкторско - технологических элементов формы;
Провести анализ процесса формирования управляющих программ для обработки корпусных деталей на многофункциональном оборудовании с ЧПУ и определить пути его автоматизации с использованием информационных технологий;
Разработать организационно - методические рекомендации по подготовке управляющих программ при производстве корпусных деталей на многофункциональном оборудовании с ЧПУ;
Продемонстрировать возможности использования предлагаемых рекомендаций при подготовке управляющих программ для многофункционального оборудования с ЧПУ на примере обработки ряда корпусных деталей.
а аг з
ft
Оператор ЧПУ
Оператор ЧПУ
Заказчик
Заказчик/ Исполнитель
Корпусная деталь
Автоматизация
производства корі
многофункциоі
"5
з аг
І в
1. СОЗДАТЬ
методику
представлен ия
КД на ЭВМ
З.ИСПОЛЬЗОВАТЬ
(многократно)
Организационно -
методические рекомендации
по подготовке управляющих
программ для обработки КД
на МФО с ЧПУ
2.ПОДОБР; (однократн
Рис. 0.1. Последовательность причинно - следственных связей, оказывающих существе
заготовки в корпусную деталь на оборудовании с ЧЕ
Результаты данной работы особенно актуальны для машиностроительных производств трех типов:
Предприятий, приобретших новое МФО или собирающихся переводить производство корпусных деталей с автоматических линий на МФО;
Предприятий, выпускающих МФО;
Предприятий, выпускающих технологическую оснастку (в первую очередь инструмент) для механической обработки сложных поверхностей.
Общая методика исследования. Исследование процессов проектирования и реализация механической обработки проводится путем использования современных компьютерных технологий моделирования всех компонентов реальных операционных действий. В основе используемых методик лежат возможности CAD/САМ систем для представления и расчета технологических процессов и современная нормативно - справочная информация, предоставляемая ведущими производителями многофункционального оборудования (пример Mazak, OKUMA и т.д.) и инструмента (например Sandvik).
Представление описания изделия, инструмента и оснастки в цифровом формате, математическое моделирование и расчет режимов резания преобразуются в презентационное представление всей совокупности происходящих процессов, позволяющих получить технико - экономическое обоснование для принятия решения об эффективности, производительности, безопасности и экономической целесообразности предлагаемых вариантов механической обработки.
Научная новизна работы заключается:
В установлении и формализации взаимосвязей между конструкторско — технологическими характеристиками КД и структурой и составом УП для МФО с ЧПУ; использование этих взаимосвязей позволяет определить формальные правила упорядочения и преобразования набора систем координат КД и конструкторско - технологических элементов формы (КТЭФ) во внутренние циклы обработки на многофункциональном оборудовании с ЧПУ;
В моделировании и визуализации на ПЭВМ технологических преобразований системы «Станок - приспособление - инструмент -деталь» в виде набора 3D состояний обработки КТЭФ;
В раскрытии закономерностей рационального формирования УП для МФО с ЧПУ, учитывающих технологические, конструкторские и экономические ограничения.
Практическая ценность. Разработаны организационно - методические рекомендации комплексного расчета технологической схемы механической обработки, выбора инструмента и оборудования, позволяющие реализовывать высокопроизводительные режимы обработки КД , в том числе и плунжерное фрезерование, фрезерование тел вращения и криволинейных поверхностей на многофункциональном оборудовании при механической обработке.
Определена последовательность презентационных представлений результатов проектирования технологических схем с выходом на оценку эффективности, безопасности и прибыльности.
Реализация работы. Презентационные модели на обработку изделий разрабатывались более чем для 25 видов корпусных деталей, на которых проводились частичные или полномасштабные компьютерные презентации. На 8 предприятиях были приняты отдельные предложения и рекомендации по выбору инструмента.
Основное содержание работы изложено в четырех главах и приложениях для обработки деталей с использованием МФО.
В главе I рассмотрены особенности обработки материалов с позиции современных представлений об этих процессах. Особенности процессов точения, фрезерования и сверления рассматривались с точки зрения показателей эффективности и возможных условий увеличения скорости обработки на МФО с ЧПУ. Систематизированы основные показатели режимов резания и влияющие на них факторы. Особое внимание уделено подбору режимов стружкообразования и стружкоудаления, оптимального по уносимому теплу, что является одним из основных вопросов при расчете режимов резания для высокоскоростной обработки.
В качестве демонстрационных изделий в работе выбраны корпус гидроцилиндра, головка блока цилиндров автомобильного двигателя, корпусная деталь гидроарматуры, пресс-форма. Обработка каждого из данных типов изделий отличается не только большими объемами выборки металла, сложностью технологических решений, сложных схемах базирования и т.д., но и возможностью продемонстрировать весь спектр особенностей проектирования технологического обеспечения в условиях информационных технологий.
В Главе II основное внимание уделено развитию применения модульных технологий в машиностроении, сформированных с целью обеспечения гибкости технологической подготовки производства в машиностроении.
В работе модульный принцип последовательно распространен от описания единичных технологических операций до возможности компоновок технологических модулей, к проектированию сложных технологических систем, к выбору оборудования, инструмента и технологической оснастки.
Модульная технология является основой для создания систем анализа и проектирования технологического процесса для обработки корпусных деталей на многофункциональном оборудовании с ЧПУ в условиях ИТ.
В качестве примера проектирования ТПП рассмотрены процедуры расчета процессов плунжерного фрезерования. Проводится выбор инструмента и осуществляется расчет режимов резания, стратегии обработки, траектории движения инструментов.
Дана оценка результатов обработки, которая демонстрирует увеличение производительности, качества обработки и повышение условий работы. Полученный результат обеспечивает плавный безвибрационный процесс механической обработки, высокий удельный съем металла за единицу времени и необходимое качество обработанной поверхности.
Подробно данные о программе расчета и обеспечивающих эти расчеты базы данных приведены в приложениях к материалам данной главы.
Построение технологий на примере проектирования процессов фрезерования дало возможность продемонстрировать особенности наиболее многообразного из
всех известных методов обработки, с помощью которого можно обработать поверхность практически любой формы.
В Главе III приведен обзор и анализ современного состояния информационно технологической среды для проектирования производственных процессов. Анализ охватывает как системы, создаваемые для развития и усовершенствования определенных этапов проектирования, так и системы, предназначенные для организации учебного процесса [26].
В основу работы положен подход, развитый при создании системы автоматизированной поддержки информационных решений (САПИР) [60].
Применение САПИР для задач конструкторско-технологической подготовки производства (КТПП) при реализации высокоэффективных и экономически оправданных процессов механообработки требует комплексной подготовки технологических решений на всех этапах КТПП. В целом развитый информационный подход дает основу методики проектирования.
Реализация КТПП для обработки КД на МФО с ЧПУ является сложной задачей, решение которой во многом индивидуально для каждого вида обрабатываемого изделия.
Весь процесс разработки разделен на три основных этапа:
Сбор исходных данных;
Расчет основных технологических операций;
Моделирование и технико - экономическое обоснование результатов виртуальной обработки в компьютерной среде для принятия производственных решений.
Сбор исходных данных является определяющим для проведения расчетов и обеспечивается диалоговым анкетированием заказчика.
Предлагаемые системы представляют собой программные комплексы, реализующие процессы анкетирования пользователей для сбора исходных данных и подготовки задач обработки. Большая часть исходных данных может импортироваться из других информационных систем, решающих, например, задачи дизайна изделия, выбора конфигурации и т.д.
Расчеты основных технологических операций проводятся с использованием баз данных и баз знаний о технологических процессах, предлагаемых основными производителями инструмента и оборудования. Включение необходимых данных в САПИР является одним из важнейших элементов создания информационно-технологической среды для реализации КТПП.
Компьютерное моделирование процессов обработки на основе проведенных расчетов дает возможность предъявить полученные результаты пользователям для принятия решений и выполнить технико - экономические обоснование.
Адаптация информационных диалоговых систем для презентации результатов предлагаемой технологии механической обработки КД для МФО с ЧПУ позволило создать организационно - методическое обеспечение, эффективно используемое для обоснования и внедрения полученных результатов.
В главе IV приведены результаты реализации обработки КД на многофункциональном оборудовании с ЧПУ и организационно - методические рекомендации для комплексного расчета технологической схемы механической
обработки, выбора инструмента и оборудования, позволяющие реализовывать высокопроизводительные режимы плунжерного фрезерования, фрезерования тел вращения и криволинейных поверхностей на многофункциональном оборудовании при механической обработке корпусных деталей.
Определена последовательность презентационных представлений результатов проектирования технологических схем с выходом на оценку эффективности, безопасности и прибыльности.
Расчеты и демонстрация возможностей по проектированию современных технологических процессов проведены на примере предложенной и внедренной модернизации производства на ОАО Заволжском Моторном Заводе при проектировании технологического обеспечения одного из наиболее сложных изделий - головки блока цилиндров при организации нового производства.
Согласно данным рекомендациям в полном объеме были реализованы проекты по проектированию механической обработки корпусных деталей на трех предприятиях:
Заволжском моторном заводе (ОАО «ЗМЗ»). Проект по оснащению 3-х горизонтально-фрезерных обрабатывающих центров под деталь головка цилиндров для дизельного двигателя.
ПензТяжПромАрматура (ОАО «ПТПА»). Проект по оснащению пяти токарных центров с приводным инструментом и одного 5-ти координатного многоцелевого обрабатывающего центра под детали гидроарматуры.
Казанском Моторостроительном Производственном Объединении (ОАО «КМПО»). Проект по оснащению 5-ти координатного фрезерного центра под деталь корпус гидроцилиндра.
Основные результаты работы докладывались на техническом совете ОАО «ЗМЗ», ОАО «КМПО», на семинарах МГТУ «Станкин», на семинарах при участии фирмы Sandvik.
Результаты разработки презентационных моделей использовались при проведении лабораторных занятий на 8 семестре по курсу «Программирование на станках с ЧПУ» в МГТУ «Станкин».
Основные особенности подготовки и организации механической обработки
Современному машиностроению свойственно огромное разнообразие выпускаемых изделий. Специфика многих из них, в частности корпусных деталей, как правило, требует разработки оригинальной технологии. Разработка и внедрение такой технологии связана с большими трудозатратами, требует высокой квалификации разработчиков и длительного времени её отработки.
После прекращения выпуска изделий знания об этой технологии зачастую становятся недоступными для других разработчиков. В современных условиях привлечение информационных технологий, основанных на современных программных комплексах, в значительной степени усовершенствует возможность проектирования и оптимизации технологических процессов, однако требует создания специализированных баз данных и знаний, обеспечивающих работу пользователей в ходе технологической подготовки производства.
В условиях развития рыночной экономики при организации работы промышленных предприятий главным фактором становится сокращение времени обработки и увеличение прибыльности производства. Достижение этой цели обеспечивается по двум основным направлениям: 1. Обновление станочного парка, инструмента и технологической оснастки; 2. Совершенствование технологического обеспечения, автоматизация и интеллектуализация процессов технологической подготовки производства.
В каждом из этих направлений имеются свои возможности именно при обработке определенных изделий, в частности корпусных деталей, которые и явились объектом исследования в рамках данной работы.
В данной главе рассматриваются основные особенности механической обработки в машиностроении и принятые направления развития ТИП при обработке КД на многофункциональном оборудовании с числовым программным управлением (МФО с ЧПУ). При этом основное внимание в данной части работы сфокусировано на таких составляющих как функциональные возможности оборудования, требования к оснастке и приспособлениям, ряд других параметров.
Традиционно обработка металла резанием (далее механическая обработка) включает в себя: точение, фрезерование, расточку, сверление, резьбонарезание и ряд других операций, являющихся сочетанием или дополнением перечисленных выше основных операций [18]. Резание металлов сопровождается сложной совокупностью различных деформаций — смятия, сдвига, среза, сопровождающихся трением отделившейся стружки о переднюю поверхность резца и трением поверхности резания о заднюю поверхность резца [4].
Возможности высокопроизводительной реализации данных процессов в производственных условиях определяются, прежде всего, принятым составом оборудования, инструмента и оснастки.
Обзор и анализ возможностей имеющегося оборудования, оснастки и инструмента для механической обработки можно произвести по каталогам фирм производителей. Основными группами оборудования можно считать: Станки, специализированные на один из видов обработки. В работе [19] выделено 18 видов специализированных станков, каждый из которых является прототипом для создания последующих поколений оборудования; Обрабатывающие центры, которые являются следующей ступенью интеграции механической обработки. При этом совмещаются две-три операции, используется многофункциональный инструмент и т.д.; Станки с ЧПУ и многофункциональные обрабатывающие центры объединены в одну большую группу оборудования, характеристики которых показывают разнообразие предлагаемых сочетаний и быстрое развитие реализуемых возможностей.
На данном этапе развития общего машиностроения станки, используемые для обработки КД, можно разделить на 3 основные группы общего применения: 1. Токарные центры с возможностью дополнительной установки приводных станций для осевого инструмента; 2. Фрезерные центры с возможностью увеличения координат обработки до 4-х или 5-ти осей; 3. Токарно-фрезерные центры с 4-мя и более координатами осей (Multi Task Centre).
В качестве примера рассмотрим группу токарно-фрезерных 5-ти координатных центров, применяемых для обработки КД, с позиции компоновки основных возможностей для увеличения степеней свободы рабочих органов МФО с ЧПУ.
Токарно-фрезерный центр (Multi Task Centre) является результатом интегрирования фрезерного и токарного станков. Основной особенностью такого центра является возможность использования стационарного и вращающегося инструментов в одном исполнительном органе. Основные операции, для которых предназначен такой станок: точение, фрезерование, сверление и нарезание резьбы. Но так же возможны дополнительные операции такие как: измерение, нарезание зубьев (рис. 1.1), шлифование (рис. 1.2), фрезерование тел вращения и многое другое [78].
Процесс программирования обработки корпусной деталей сложной формы на токарно-фрезерных центрах является достаточно трудоемким. Для эффективного использования станков такого уровня, современного инструмента и новейших подходов в стратегии обработки необходимо применять САМ-системы. Для реализации всех возможностей станка многие производители закладывают в стойку ЧПУ собственную САМ-систему и оснащают ее большим числом внутренних циклов обработки. Такую САМ -систему будем называть специализированной, т.к. она ориентирована на подготовку производства под конкретный станок.
Другой тип САМ - систем (далее их будем называть универсальными) обеспечивает подготовку управляющих программ для многих видов машиностроительных переделов. В настоящее время в России наиболее распространены следующие универсальные САМ - системы: ГеММА, Т FLEX ЧПУ, АДЕМ, Симатрон, PowerMill, Pro/E и т.д.
При принятии решения по выбору оборудования учитываются следующие основные факторы: 1. Технические характеристики станка: мощность шпинделя; момент на шпинделе; обороты шпинделя; мощность приводов; величины ускорения; размер рабочей зоны. 2. Возможности сочетания операций по количеству и последовательности положений; 3. Реализуемые траектории движения инструмента; 4. Возможности устанавливаемой оснастки и приспособлений; 5. Размещение станков на производстве; 6. Наличие опытных операторов; 7. Наличие возможности быстрой замены и настройки ЧПУ.
Применение современного обрабатывающего станочного оборудования позволяет сократить не только основное (машинное), но и вспомогательное время, необходимое для смены инструмента, установки и снятия деталей и т.п.
Важное значение приобретает правильное применение технологической оснастки (разрезные цанги, гидравлические приспособления, поворотные делительные головки, удлинители, адаптеры и т.д.), причем наибольший эффект достигается при многооперационной обработке деталей, когда в технологическом процессе изготовления детали задействованы несколько единиц оборудования.
Виды обработки и приспособлений для каждого вида станков и инструментов приведены в соответствующих каталогах, или являются базовым набором технологической оснастки соответствующих предприятий.
Из практики можно выделить следующие показатели, характеризующие эффективную оснастку: надежность; удобство использования; простота и точность позиционирования; надежная работа в загрязненной среде; универсальность, обеспечивающая полную взаимозаменяемость узлов крепления и опорных пластин, и возможность крепления различных пластин в одной державке; модульность инструментальной оснастки, обеспечивающая возможность компоновки инструмента для разнообразных видов обработки; унификация всех типов соединения, зажимов инструмента; универсальность и большие вылеты; безопасность процессов резания.
Особенности производительных методов обработки сложных поверхностей при использовании многофункционального оборудования
Все большее внимание на машиностроительных предприятиях уделяется автоматизации технологической подготовки производства. Стимулирующим фактором в повышении интереса к деятельности технологических служб является тот факт, что технологическая подготовка производства (включая проектирование и разработку оснастки) может занимать до 70% времени от общего времени разработки и внедрения нового продукта [69].
Подготовка операции и разработка УП для МФО с ЧПУ по традиционной схеме начинается с решения технологических задач обработки корпусной детали [63, 64]. В этих решениях указываются обрабатываемые в операции поверхности детали, требования к их точности, шероховатости, взаимному расположению, а также методы базирования и средства закрепления заготовки для получения окончательной детали. Далее на основании этой информации принимаются окончательные технологические решения на уровне операционного представления в форме (рис. 2.1):
После того, как все технологические решения приняты, переходят собственно к кодированию кадров управляющих программ в G-кодах (ручное кодирование, кодирование с пульта, составление управляющей программы средствами САМ - системы и т.д.).
Анализ работы технологов-программистов машиностроительных предприятий показал, что проектирование операционной технологии, на основании которой разрабатывают УП для МФО с ЧПУ, является творческой процедурой, основанной на обобщенном личном опыте разработчика (рис. 2.2). При этом, как правило, операционная технология, не встретившая возражений со стороны оператора станка с ЧПУ, принимается в качестве образца для последующей разработки [73]. Стадии Этапы Проектные решения Принципиальная схема сто Расположение ТО Режимь ТП обработі
Выход Вход Струк. Обор. Инстр. Относит Относит. ТП- тп- ТП Присп. Оборуд. изг. загот. Приспос ТО ТП І.План обработки 2.Этап обработки X X X X X РП 3.Операция обработки X X X X 4.Установ X X X X X 5.Позиция X X X X X X 6.Переход X X X X X X X X Вместе с тем условия оптимальности технологических процессов для МФО с ЧПУ существенно отличаются от условий, обеспечивающих минимальную себестоимость обработки при заданном качестве на станках с ручным управлением в серийном производстве и на автоматических станках в крупносерийном и массовом производствах.
При многономенклатурном характере мелкосерийного и серийного производства использование МФО с ЧПУ связано с частыми переналадками. Станки с ЧПУ по быстродействию, производительности и стоимости значительно превосходят станки с ручным управлением. Технологическая подготовка обработки на МФО, включающая также разработку УП, связана со значительными затратами. При оценке эффективности технологических решений для МФО с ЧПУ нельзя игнорировать затраты на разработку и отладку УП, а также на переналадку станков, включая замену потерявшего рабочие свойства инструмента.
Отмеченные особенности не позволяют использовать традиционные нормативно - технические рекомендации по построению станочных операций, т. к. они ориентированы на обработку деталей на станках с ручным управлением в условиях мелкосерийного производства или на обработку деталей на станках-автоматах в условиях массового производства. В тоже время нет базы данных по уже разработанным и внедренным ТПП для обработки КД на МФО.
По существующим методикам станочную операцию формируют, используя метод последовательного анализа вариантов. При этом каждый из вариантов является совокупностью отдельных элементов. При проектировании операции каждый переход оптимизируют на основе расчетно-аналитических методов или сложившихся традиций.
На рисунке 2.3 представлены роль и задачи технолога в ходе процесса ТПП для МФО. Собственно область деятельности изображена в виде иерархии уровней представления технологического процесса подготовки изделия в машиностроении. Эта иерархия состоит из трех уровней:
Роль и задачи технолога в процессе технологической подготовки производства Применение как традиционного универсального, так и программно-управляемого оборудования при производстве новых изделий предполагает разработку и выпуск комплекта технологической документации, регламентирующей использование производственных мощностей и ресурсов при изготовлении изделия. Разработка технологии изготовления изделия требует от технолога не только знания специфики производства, но и владения оперативной информацией об оборудовании, материалах и т. п.
Другим важным фактором является накопление баз знаний, т.е. типовых приемов выполнения отдельных элементов технологических процессов, необходимых для реализации всего спектра выпускаемой продукции, и умение оперативно применять отработанные элементы. В последнем случае необходимо создать базу данных и обеспечить оперативный доступ к базе данных готовых технологических решений. На основе накопленных технологических решений необходимо создать базу знаний и решить вопрос о поддержке заимствованных готовых апробированных решений. Обеспечить сокращение сроков технологической подготовки производства возможно за счет высокого уровня автоматизации проектирования технологических процессов и упрощения использования типовых проектных процедур [2].
При обработке корпусных деталей на МФО рекомендуется следующий порядок выполнения операций [72]: 1) черновая обработка деталей с двух-трех сторон (в качестве базы используются большие плоскости) (обычно выполняется вне МФО); 2) черновая обработка остальных сторон детали с установкой по обработанным поверхностям, создание баз для последующей обработки; 3) чистовая обработка базовой и противобазовой поверхностей и всех конструкторско — технологических элементов формы (пазов, уступов, отверстий и т.д.) на этих плоскостях; 4) чистовая обработка остальных сторон детали. Последовательность выполнения переходов зависит от их назначения количества переходов, выполняемых одним инструментом, требуемой точности обработки и многих других факторов. Общий подход к выбору последовательности выполнения переходов на МФО показан в табл. 2.1. Сочетание черновых и чистовых технологических переходов выбирается в зависимости от размеров, формы соответствующих поверхностей и требований к точности и качеству их обработки. Так, при обработке отверстий возможны две основные технологические схемы: 1)параллельная — каждый инструмент обрабатывает все отверстия одного диаметра, затем производится смена инструмента, и цикл повторяется; 2)последовательная — одно отверстие обрабатывается всеми необходимыми инструментами, затем после изменения позиционирования — следующее отверстие и т.д. Первый вариант используется при низких требованиях к точности отверстий, второй — при высоких.
Описание элементов технологического обеспечения при реализации автоматизированных режимов обработки
Проведенный анализ традиционных технологических средств показывает, что они не в полной мере отвечают современным требованиям машиностроительного производства в условиях автоматизации.
Во-первых, отсутствует системный подход в развитии составляющих технологических средств, т.е. технологическое оборудование, приспособления, инструмент, контрольно-измерительные средства развиваются в основном самостоятельно, независимо друг от друга, во многом стихийно, что приводит часто к нестыковке между ними и неоправданно огромному их разнообразию.
Во-вторых, отсутствует единая элементная база технологических средств; формируется элементная база раздельно по отдельным составляющим, разрозненно, неоднородно, фрагментарно.
В-третьих, технологические средства не отличаются гибкостью, так как в основном создаются двух видов - универсальные и специальные, что входит в противоречие с тенденцией развития машиностроительного производства по пути расширения номенклатуры КД, их быстрой смены при увеличении объемов выпуска в единицу времени. Применение универсальных технологических средств приводит к потерям за счет избыточности заложенных в них возможностей, а специальных — к необходимости их замены при переходе на выпуск новых изделий.
Главной причиной перечисленных недостатков является огромное, неуправляемое разнообразие технологических процессов. Свести это разнообразие к обозримому количеству, как уже отмечалось, обусловленное большим числом объективных и субъективных факторов, не изменяя подхода к их проектированию, практически не представляется возможным.
Попытки устранить указанные недостатки технологических средств были, но они не могли принципиально увенчаться успехом, так как базировались на традиционной технологии. Действительно, результаты анализа разработок в области построения технологических средств показывают, что имели место попытки создания технологических средств под конкретные технологические процессы в условиях серийного производства. Однако решение этой задачи натолкнулось на огромное разнообразие технологических процессов, которое продолжает непрерывно возрастать. Объективными причинами такого разнообразия являются появление новых конструкции деталей, материалов, методов обработки и т.д. Однако очень часто рост разнообразия технологических процессов является неоправданным, зависящим от субъективного подхода технолога.
Сокращение разнообразия посредством утилизации и унификации технологических процессов дает существенный,эффект, что подтолкнуло к разработке технологических систем (ТС), способных перестраиваться в зависимости от изменения конструкции заготовки и технологического процесса. Это дает эффект для производства с повторяющейся номенклатурой КД.
В современных условиях организации металлообработки одним из основных путей реализации возможности перестраиваться в зависимости от изменения конструкции корпусных деталей и технологического процесса является использование многофункциональных обрабатывающих центров. Такие МФО интегрируют возможности различных групп станков и допускают применение высокопроизводительных режимов резания. Внедрение МФО в производственных условиях вызывает определенные сложности у технологов в связи с недостаточностью информационного обеспечения и отсутствием теоретической базы для расчета. Новые возможности обработки в данной работе демонстрируются на конкретных примерах.
Таким образом, создание и использование многофункционального оборудования является передовой тенденцией развития металлообработки и требует опережающего развития информационного обеспечения с учетом новых возможностей ЧПУ, инструментов и т.д.
Основу общей методики проектирования технологии
металлообработки для МФО составляет выбор инструмента, расчет режимов резания и эффективности перехода от используемой к предлагаемой технологии. В тоже время одной из особенностей современного развития металлообработки как уже отмечалось, является использование новых видов инструмента и новых методов обработки металла на МФО с ЧПУ.
Другим аспектом развития при обработке КД является внедрение высокоскоростных режимов резания и таких видов обработки, как плунжерное фрезерование и т.д.
В данном работе указанные выше аспекты рассматриваются на примере обработки корпусных деталей, как наиболее важного массового вида изделий в машиностроении, при производстве которых широко используются указанные методы.
Модульное построение технологического обеспечения является базой для достижения высокой гибкости производства и в конечном счете заданной или оптимальной эффективности производства.
В настоящее время использование модульных представлений и построение на их основе систем классификации является одним из первых основополагающих шагов к созданию многофункциональных баз данных и баз знаний, охватывающих всю возможную полезную информацию о технологиях обработки и опыте их применения на том или ином типе станков, инструмента и иных средств производства и реализации технологических процессов.
Модульное представление единичных технологий придает им форму типовой технологической операции с определенным набором характеризующих их параметров.
Общие принципы модульных представлений состоят в построении последовательностей описаний изделий, технологических процессов, возможностей станочного оборудования, инструмента, приспособлений и всех других дополнительных устройств и средств усовершенствования технологических процессов и их эффективной компоновки.
Основной целью модульных представлений является последующая возможность из единичных элементов форм образовывать сложные композиции с автоматическим или автоматизированным учетом их возможной последовательности, сочетаемости, рациональности выбора инструмента, приспособлений, траектории движения, стратегии обработки.
Современная модульная концепция учитывает все аспекты производственного процесса: от перспективных возможностей, предоставляемых новыми конструкциями инструмента и оборудования до тщательной проработки технологии его применения и обслуживания.
Наибольшее распространение модульный принцип получил при анализе и организации сборочных и конвейерных производств. Однако развитие многофункциональных технологий обработки, создание обрабатывающих центров и многоцелевого инструмента сделали актуальным распространение модульного принципа процессов разработки комплексных технологических систем для проектирования обработки корпусных изделий сложной формы.
Модульный принцип охватывает все этапы от анализа элементов форм обрабатываемых поверхностей до разработки маршрутов изготовления изделий.
Формирование рабочей модели технологического обеспечения на основе модульной системы должно обеспечивать изготовление конкретного изделия, а способы его построения должны позволять быстрое изменение отдельных элементов, оценку изменений и последствия замены.
При отсутствии точных характеристик отдельных элементов форм может быть применен принцип прототипирования операций, когда элемент формы определяется набором предлагаемых параметров. Такой подход позволяет осуществлять расчеты характеристик всей системы до полной разработки и оценки всех ее элементов. (Этот момент очень важен для построения технико - экономического обоснования использования МФО).
Особенности компьютерного представления описания КД на ЭВМ
Проведение практических расчетов по выбору технологического обеспечения осуществляется в форме стандартной последовательности действий, общие этапы которой были приведены ранее.
В тоже время анализ результатов по каждому из расчетов при обработке конкретных изделий является неформальной процедурой и требует работы квалифицированных технологов и указания лиц, принимающих технологические и общие решения.
В данной работе проектирование технологического обеспечения и сравнительная оценка полученных результатов, проводится на трех основных типах деталей. 1. обработка корпусной детали гидроарматуры; 2. обработка корпуса одноцилиндрового компрессора высокого давления. 3. обработка головки блока цилиндров;
Выбор указанных изделий определяется прежде всего практическим опытом работы по внедрению новых технологий их обработки на таких крупных машиностроительных предприятиях России как КМПО (г. Казань), ПТПА (г. Пенза), ЗМЗ (г. Заволжье).
На каждом из этих предприятий проводились оценки возможности внедрения инструмента и новых технологических приемов на большом числе отдельных операций при внедрении нового МФО с ЧПУ.
При подготовке предложений заказчику необходимо иметь в виду, что одним из основных требований является получение гарантий от поставщиков оборудования и инструмента, что станок с момента завершения пуско-наладки будет работать и приносить прибыль.
При этом распределение затрат по этапам планирование - запуск — производство должно исходить из всестороннего инженерного анализа и сравнения возможных вариантов на наиболее ранних этапах принятия решений, что позволяет достичь высокопроизводительной работы МФО с ЧПУ с первого пуска. Достигается цель - снижение стоимости производства изделий должно обеспечиваться параметрами безопасности производства, полнотой предоставляемой заказчику информации, гарантией успешного внедрения инструмента.
Реализация этих возможностей требует обязательного участия представителей заказчика не только в пуско-наладочных работах, но и в оценке и анализе результатов компьютерного моделирования.
Предоставление предложений с технико - экономическим обоснованием по возможностям МФО при обработке КД в виде компьютерных презентаций является основной формой принятия быстрых и эффективных решений. Поэтому ведущие фирмы производители оборудования и инструмента уделяют большое внимание разработке моделирующих и презентационных систем. Предложенный в данной работе подход в первую очередь ориентирован на корпусные детали и высокопроизводительные режимы обработки при использовании МФО. Ориентация на создание фрагмента средств проектирования ТИП является фундаментальным решением, которое позволяет встраивать в общесистемные части САПИР реальные производственные технологии. После апробации этих технологий на конкретных производственных примерах происходит перенос информационно-технологической части в САПИР, что существенно пополняет нормативно справочную базу конкретного предприятия и является основой дальнейшего развития и обучения специалистов.
В соответствии с заданием на изготовление изделия технолог для разработки технологического процесса должен иметь следующие исходные данные: 1. Чертеж заготовки, 2. Чертеж детали, 3. Материал заготовки, 4. Предполагаемые припуски, Величина припуска; Наличие корки, песка, отбела (при обработке чугуна). 5. Тип производства (серийность): Единичное; Мелкосерийное; Серийное. 6. Цель замены оборудования: Замена устаревшего оборудования; Сокращение станочного парка; Внедрение МФО с ЧПУ; Повышение качества деталей; Увеличение выпуска деталей; Повышение производительности; Повышение технологичности. Разработка технологического процесса включает следующие этапы: Анализ исходных данных; Проектирование чертежа заготовки; Формирование КТЭФ; Разработка стратегии обработки КД; Проектирование операций; Подбор инструментальных сборок; Расчет режимов резания; Проверка возможности обработки КТЭФ КД в информационной среде; Оформление технической документации; Написание УП; Натурное испытание; Занесение работы в БД; Постановка в серию.
Первая из рассматриваемых деталей представляет собой корпус гидроарматуры (рис.4Л) из материала 09Г2С (котельная сталь). Заготовка — горячекатаная труба, отрезанная в размер.
До установки МФО данную деталь на заводе обрабатывали за 4 установа на двух типах оборудования: 2 установа на токарном; 2 установа на фрезерном с ЧПУ. Заданием для подбора оборудования, инструмента и создания технологии обработки было: Замена на МФО с ЧПУ для производительной обработки детали; Мелкосерийное производство.
На ОАО «ПТПА» была произведена замена устаревшего оборудования и технологии на новый 5-ти координатный токарно-фрезерный центр с ЧПУ и современный лезвийный инструмент со сменными твердосплавными пластинами.
Задача заключалась в обработке корпуса (рис.4.1) за минимальное количество установов и сокращение времени обработки. Данная задача решается с использованием МФО с ЧПУ, которое позволяет получить годную деталь требуемого размера и качества за один, максимум два установа.
По итогам проведенной работы рассматриваемый корпус обрабатывается на токарно-фрезерном центре за 2 установа и время обработки составляет 20 минут.
Токарная обработка производится за 2 установа, а фрезерная обработка одновременно с одним установом токарной заготовки и поворотом шпинделя станка на 180 градусов. Точность поворота детали обеспечивает шпиндель станка и дискретность составляет не более 0.05 мм. Рассмотрим данную деталь как совокупность элементов форм (рис. 4.2) и представим ее в табличном виде (таблица. 4.1). Табличный метод представления детали как совокупности КТЭФ позволяет указать все обрабатываемые поверхности, локальные системы координат и точки привязки детали
