Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса. Цели и задачи исследования 11
1.1 Технологическая подготовка производства 11
1.1.1 Задачи и содержание единой системы технологической подготовки производства 11
1.1.2 Основные этапы технологической подготовки производства 12
1.2 Факторы, влияющие на производительность токарной обработки на станках с ЧПУ 16
1.3 Анализ способов автоматической смены инструмента 21
1.4 Анализ существующих конструкций модульной инструментальной оснастки 26
1.4.1 Система инструментальной оснастки "KV" 27
1.4.2 Система инструментальной оснастки "МТХ" 29
1.4.3 Система инструментальной оснастки "BTS" 31
1.4.4 Система инструментальной оснастки "FTS" 33
1.5 Точность механической обработки 37
1.5.1 Точность и ее определяющие факторы 37
1.5.2 Основные элементарные погрешности обработки 39
1.5.3 Упругие деформации технологической системы 41
1.6 Выводы по обзору. Цели и задачи исследования 43
2 Экспериментальные исследования операции точения при использовании модульной инструментальной оснастки 45
2.1 Задачи экспериментальных исследований. Объекты исследований и контролируемые параметры 46
2.2 Оборудование для проведения экспериментов 48
2.3 Формирование погрешности установки сменных режущих модулей 50
2.4 Формирование погрешности вызванной податливостью в конструкции узла крепления сменных режущих модулей 54
2.4.1 Формирование погрешности для способа ориентирования сменного режущего модуля по трем взаимно перпендикулярным плоскостям 55
2.4.2 Формирование погрешности для способа ориентирования сменного режущего модуля по цилиндрической поверхности и плоскости 57
2.4.3 Формирование погрешности для способа ориентирования сменного режущего модуля по конической поверхности и плоскости 59
2.4.4 Формирование погрешности для способа ориентирования сменного режущего модуля по профильной конической поверхности и плоскости 61
2.4.5 Формирование погрешности для способа ориентирования сменного режущего модуля по торцевой зубчатой поверхности 63
2.4.6 Математическая модель погрешности обработки модульным инструментом с учетом способа ориентирования сменных режущих модулей 65
2.5 Выводы 67
3 Разработка способа закрепления сменных инструментальных модулей и реализующей его конструкции модульной инструментальной оснастки 68
3.1 Постановка задачи при разработке конструкции модульной инструментальной оснастки 68
3.2 Предлагаемые подходы к решению, задачи разработки опытного образца инструментальной оснастки 69
3.3 Разработанный способ закрепления и конструкция модульной инструментальной оснастки 70
3.4 Расчет на прочность разработанной конструкции модульной инструментальной оснастки 73
3.4.1 Расчет усилия фиксации сменного режущего модуля 73
3.4.2 Выбор схемы сборки и расчёт тарельчатых пружин 76
3.4.3 Расчёт конуса сменного режущего модуля 79
3.4.4 Расчёт силовой тяги 81
3.5 Выводы 82
4 Оптимизационная модель расчета режимов механической обработки при использовании модульной инструментальной оснастки 83
4.1 Построение оптимизационной модели 83
4.2 Пример расчета оптимальных режимов обработки 100
4.3 Выводы 105
5 Методика проектирования этапа технологической подготовки производства, связанного с выбором режущего инструмента и оснастки 106
5.1 Алгоритм методики проектирования этапа технологической подготовки производства 106
5.1.1 Анализ конструкции детали 108
5.1.2 Выбор модульной инструментальной оснастки 109
5.2 Апробация результатов исследования в производственных условиях 111
5.3 Выводы и рекомендации 115
Основные результаты и выводы по работе 117
Литература
- Основные этапы технологической подготовки производства
- Анализ существующих конструкций модульной инструментальной оснастки
- Формирование погрешности для способа ориентирования сменного режущего модуля по трем взаимно перпендикулярным плоскостям
- Пример расчета оптимальных режимов обработки
Введение к работе
В современных условиях в ходе длительного периода реорганизаций для многих машиностроительных предприятий на первый план выдвигаются задачи разработки новых и модификации существующих образцов выпускаемых ими изделий. Предприятиям машиностроительного комплекса, в первую очередь крайне важно выпускать продукцию небольшими сериями или в единичных экземплярах, причем в сжатые сроки, с высоким качеством и существенно по более низким ценам, чем устанавливаемые сегодня на рынке.
Известно, что себестоимость и качество изделий, выпускаемых предприятиями машиностроительного комплекса, в значительной степени определяется формой организации технологического процесса и используемого для обработки изделий режущего инструмента.
В настоящее время наиболее перспективным направлением в использовании режущего инструмента считается применение модульной инструментальной оснастки. Модульная инструментальная оснастка построена на принципе замены инструмента съемными модулями, что по сравнению со стандартным режущим инструментом позволяет: снизить вес инструмента в З...4раза, повысить эффективность работы оборудования, повысить производительность труда, сократить сроки подготовки производства, снизить себестоимость механической обработки.
Не смотря на очевидные преимущества модульной инструментальной оснастки, технолог на стадии проектирования технологических операций в большинстве случаев склоняется к выбору стандартного режущего инструмента. Модульный инструмент
используется лишь в 10 из 100 случаев, позволяющих значительно повысить эффективность производства изделий. Это объясняется тем, что производители модульной инструментальной оснастки ограничиваются лишь рекомендациями по допустимым режимам обработки. Однако наиболее важный для технолога вопрос обеспечения требуемых показателей точности остается открытым. Технолог на этапе технологической подготовки производства испытывает значительные затруднения при оценке точности получаемого размера на тех или иных режимах обработки. Это связано с отсутствием методик проектирования этапов технологической подготовки производства, в части выбора модульной инструментальной оснастки, математических зависимостей, устанавливающих взаимосвязь между режимами обработки, конструкцией узла крепления и точностью получаемого размера после обработки.
В связи с этим актуальным является необходимость исследования особенностей обработки на токарных станках с ЧПУ при использовании модульной инструментальной оснастки, с целью обеспечения выбора режущего инструмента и прогнозирования обеспечения заданных показателей точности обработанных поверхностей.
Актуальность работы подтверждается тем, что повышение
точности механической обработки и разработка систем
быстросменного вспомогательного инструмента для
высокоскоростных станков с ЧПУ выделено как приоритетное направление в федеральной целевой программе «Реформирование и развитие станкостроительной и инструментальной промышленности России» до 2010 года.
Цель работы.
Совершенствование технологической подготовки производства деталей на токарных станках с ЧПУ путем моделирования процесса формирования показателей точности при использовании модульной инструментальной оснастки.
В первой главе представлен литературный обзор в соответствии с темой диссертационной работы, на основе которого сформулированы цель и задачи исследования.
Вторая глава посвящена описанию методики проведения экспериментальных исследований, обработке экспериментальных данных, получению эмпирической модели, формирования погрешности обработки деталей при использовании модульной инструментальной оснастки.
Третья глава посвящена разработке способа закрепления
инструментальных модулей и реализующей его
конструкции модульной инструментальной оснастки
(патент на изобретение RU № 2242331).
Четвёртая глава посвящена разработке оптимизационной модели расчета режимов механической обработки при использовании модульной инструментальной оснастки.
Пятая глава посвящена проектированию этапа технологической подготовки производства, в части выбора режущего инструмента и оснастки, для токарной обработки с применением модульной инструментальной оснастки. Даны практические рекомендации по использованию результатов исследования.
Научная новизна.
1. Получены зависимости влияния режимов обработки (скорости резания, подачи, глубины резания) и конструкции узла
крепления модульной инструментальной оснастки на точность получаемого размера для операций точения на станках с ЧПУ.
Разработана математическая модель формирования погрешности токарной обработки при использовании модульного инструмента.
Разработан оригинальный способ и математическая модель закрепления инструментальных модулей, и реализующая его конструкция модульной инструментальной оснастки.
Разработана оптимизационная модель расчета режимов обработки с использованием модульного инструмента, обеспечивающих требуемую точность обработки.
Практическая ценность.
Разработана методика проектирования этапа технологической подготовки производства связанного с выбором режущего инструмента и оснастки, позволяющая на стадии технологической подготовки производства, прогнозировать точность обработки при использовании модульной инструментальной оснастки.
Разработана классификация конструкций узлов крепления инструментальных модулей по обеспечению точности обработки на заданных режимах обработки.
Разработана конструкция модульной инструментальной оснастки (патент на изобретение RU № 2242331), позволяющая повысить производительность токарной обработки на станке с ЧПУ.
Разработаны рекомендации по применению модульной инструментальной оснастки в производственных условиях.
Методы исследования.
Теоретические и экспериментальные исследования базируются на основных положениях технологии машиностроения, теории резания, математического моделирования. Достоверность результатов
исследований проверялась в лабораторных и производственных условиях с использованием методов математической статистики.
Результаты экспериментов обрабатывались с использованием современной системы компьютерной алгебры Maple.
Реализация работы.
Разработанная конструкция модульной инструментальной оснастки принята к использованию на ООО "Регион" г. Бийск. Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения составляет И 8256 рублей.
Теоретические и экспериментальные исследования проводились при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в форме гранта «Модульная инструментальная оснастка для станков с ЧПУ» (шифр АОЗ-3.18-496).
Методическое и программное обеспечение используется в учебном процессе Бийского технологического института (филиал) АлтГТУ им. И.И. Ползунова.
Апробация работы.
Основные положения диссертации доложены и обсуждены: на
международной научно-технической конференции "Современные
технологически системы в машиностроении" (Барнаул, 2003г);
на всероссийских научно-практических конференциях
"Ресурсосберегающие технологии в машиностроении" (Бийск, 2003г); "Информационные технологии в экономике, науке и образовании" (Бийск, 2004г); "Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе" (Новосибирск, 2004-2006г). Представлен отчет о научно-исследовательской работе по теме "Ресурсосберегающие технологии и автоматизация в машиностроительных производствах". Представлен отчет по гранту «Модульная инструментальная оснастка для станков с
ЧПУ» (шифр АОЗ-3.18-496). Результаты работы обсуждались на заседании кафедр «Металлорежущие станки и инструменты» Бийского технологического института, «Общая технология машиностроения» и «Технология автоматизированных производств» Алтайского государственного технического университета им.И.И. Ползунова.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 2 статьи, 7 тезисов докладов, отчет о НИР, получен 1 патент на изобретение.
Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам и преподавателям кафедр «Металлорежущие станки и инструменты» Бийского технологического института, «Общая технология машиностроения» и «Технология автоматизированных производств» Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова за помощь, оказанную при выполнении данной работы.
Основные этапы технологической подготовки производства
Основными этапами ТПП являются [15, 18]: 1) разработка технологических процессов; 2) проектирование технологической оснастки и нестандартного оборудования; 3) изготовление средств технологического оснащения (оснастки и нестандартного оборудования); 4) выверка и отладка запроектированной технологии и изготовленного технологического оснащения.
На первом этапе осуществляют выбор рациональных способов изготовления деталей и сборочных единиц, разработку новых технологических процессов. Эта работа выполняется на основе: чертежей на вновь спроектированное изделие; ГОСТов, отраслевых и заводских стандартов на материалы, инструмент, а также на допуски и припуски; справочников и нормативных таблиц для выбора режимов резания; планируемых размеров выпуска изделий.
Содержание работ по проектированию технологических процессов складывается из следующих элементов: выбора вида заготовок; разработки межцеховых маршрутов; определения последовательности и содержания технологических операций; определения, выбора и заказа средств технологического оснащения; установления порядка, методов и средств технического контроля качества; назначения и расчета режимов резания; технического нормирования операций производственного процесса; определения профессий и квалификации исполнителей; организации производственных участков (поточных линий); формирования рабочей документации на технологические процессы в соответствии с ЕСТД.
На втором этапе ТПП, во-первых, проектируют конструкции моделей, штампов, приспособлений, специального инструмента и нестандартного оборудования, а во-вторых, разрабатывают технологический процесс изготовления технологического оснащения, который должен быть достаточно универсальным, но в то же время прогрессивным, совершенным и обеспечивающим высокое качество изготовляемых деталей.
Разработка конструкций технологической оснастки осуществляется конструкторскими бюро по оснастке и инструменту в тесной взаимосвязи с технологами, которые проектируют технологические процессы обработки деталей нового изделия.
На третьем этапе ТПП изготавливают всю оснастку и нестандартное оборудование. Эти работы проводят постепенно, ограничиваясь вначале минимально необходимой оснасткой первой необходимости, а затем повышая степень оснащенности и механизации производственного процесса до максимальных экономически оправданных пределов. На этом этапе осуществляют перепланировку (если это необходимо) действующего оборудования, монтаж и опробование нового и нестандартного оборудования и оснастки, поточных линий и участков обработки и сборки изделий.
На четвертом этапе ТПП выверяют и отлаживают запроектированную технологию; окончательно отрабатывают детали и узлы (блоки) на технологичность: выверяют пригодность и рациональность спроектированной оснастки и нестандартного оборудования, удобство разборки и сборки изделия; устанавливают правильную последовательность выполнения этих работ; проводят хронометраж механообрабатывающих и сборочных операций и окончательно оформляют всю технологическую документацию.
При подробном рассмотрении и анализе этапов технологической подготовки производства установлено, что 30-40% от времени подготовки к выпуску нового изделия, составляют затраты времени на разработку и отладку технологического процесса изготовления изделия [18, 22]. Сравнительные данные представлены на рисунке 1.1
Анализ существующих конструкций модульной инструментальной оснастки
Подавляющее большинство существующих на сегодняшний день конструкций быстросменных модульных инструментальных систем, это системы зарубежного производства таких фирм как [34, 37-55]: Sandvik Coromant (Швеция), Hertel (Германия), Walter (Германия), Kennametal (США), фирмы Komet (Германия), Dornag (Швейцария), Heinz Kaiser, Kelch (Германия). В России разработкой модульной инструментальной оснастки занимается внедренческое научно-производственное предприятие "Винт".
В системе "KV" инструментальной оснастки фирмы Kennametal (США) базовой поверхностью резцовых головок является укороченный конус 7:24 рисунок 1.7 [79, 80]. Внутри конуса 12 выполнена полость 11 с конической поверхностью. Стержень с шариками 4 входит в полость 11. При смещении назад тяги 6 шарики 4, упираясь в коническую поверхность, затягивает конус 7:24 и подвижную в осевом направлении втулку 3 до тех пор, пока фланец 1 резцовой головки не достигнет плоскости 2. При смещении втулки 3 сжимается резиновое кольцо 9, которое при обратном ходе тяги 6 возвращает втулку 3 в первоначальное положение. Контакт по конической поверхности и по торцу одновременно обеспечивает высокую жесткость закрепления резцовых головок. Базовые поверхности защищены от попадания стружки.
Блок для закрепления резцовых головок рисунок 1.7 устанавливается в диске револьверной головки и крепится винтами. Зажим резцовой головки осуществляется пакетом тарельчатых пружин 5, которые через крышку 7, установленную на тяге 6, перемещают последнюю. Для раскрепления головок необходимо приложить усилие к крышке 7 и сжать тарельчатые пружины, что, как правило, выполняется гидроцилиндром.
Базой для захватов при автоматической замене инструмента служат фланцы с V-образной канавкой с углом 60, унифицированные с фланцами, применяемыми на сверлильно-фрезерных станках с ЧПУ. Поэтому возможно применение унифицированных со сверлильно-фрезерными станками захватов и инструментальных магазинов.
Достоинства системы "KV": 1. Унификация с инструментальными системами для сверлильно-фрезерных станков с ЧПУ. 2. Унифицированный блок для закрепления инструмента для наружной и внутренней обработки. 3. Одинаковые базовые поверхности для резцовых головок и переходников, крепящих вращающийся инструмент. 4. Защищённость базовых поверхностей от стружки. Недостатки системы "KV": 1. Технологические трудности обработки конусов необходимой точности. 2. Относительно большие по сравнению с другими инструментальными системами габариты и масса резцовых головок, и соответственно меньшая вместимость магазинов. 3. Невозможность автоматической переналадки на обработку другой детали 4. Низкая точность позиционирования при смене режущих модулей.
В системе инструментальной оснастки Multiflex "МТХ" фирмы Widia Krupp (Германия) базирование резцовых головок осуществляется по цилиндрической поверхности и плоскости [49,81].
Рисунок 1.8 Конструктивные особенности системы "МТХ: Резцовая головка 1 рисунок 1.8 имеет цилиндрическую форму и посадочное отверстие 2. Пальцы 3 при перемещении тяги 6 упираются в коническую поверхность канавки 5 и поджимают головку к базовому торцу. Для фиксирования резцовой головки служит торцовая шпонка 4. Цилиндрическая базовая поверхность блока имеет переднюю часть меньшего диаметра для облегчения установки резцовых головок.
Формирование погрешности для способа ориентирования сменного режущего модуля по трем взаимно перпендикулярным плоскостям
Изучение влияния режимов токарной обработки на погрешность обработки вызванной податливостью узла крепления сменного режущего модуля СО.у.к проводился с использованием стенда на базе токарного станка с ЧПУ 16К20ФЗ. Измерения обработанных образцов проводились на универсальном измерительном микроскопе УИМ-21 с погрешностью измерений 1 мкм по схеме представленной на рисунке 2.2. Образцы размещались на столе микроскопа при помощи призм. Перед проведением эксперимента технологическое и измерительное оборудование было проверено и аттестовано.
В качестве образцов использовались заготовки диаметром 40 мм из материала сталь 45 ГОСТ 1050-74 с пределом прочности со = 700 МПа в состоянии поставки.
В результате проведения эксперимента и обработки экспериментальных данных, получены зависимости погрешность токарной обработки, вызванной податливостью узла крепления сменного режущего модуля от режимов механической обработки для способа ориентирования по трем взаимно перпендикулярным плоскостям. Графически зависимости представлены на рисунках 2.5 и 2.6. Эксперименты проводились в соответствии с методиками планирования эксперимента и статистической обработки данных [70-74]. Проведено 192 опыта. Воспроизводимость экспериментальных данных оценивалась по критерию Кохрена. В данном случае расчетное значение критерия Кохрена: Gp =0,591 Табличное значение в данном случае G = 0,907 [70] Условие Gp G выполняется, а, следовательно, опыты считаются воспроизводимыми, а оценки дисперсий однородными.
По результатам обработки экспериментальных данных в системе компьютерной алгебры Maple получена математическая модель погрешности обработки модульным инструментом со.у.к вызванной податливостью в конструкции узла крепления в процессе резания на определенных режимах обработки для способа ориентирования по трем взаимно перпендикулярным плоскостям (приложение 1);
В результате проведения эксперимента и обработки экспериментальных данных, получены зависимости погрешность токарной обработки, вызванной податливостью узла крепления сменного режущего модуля от режимов механической обработки для способа ориентирования по цилиндрической поверхности и плоскости. Графически зависимости представлены на рисунках 2.7 и 2.8.
Эксперименты проводились в соответствии с методиками планирования эксперимента и статистической обработки данных [70-74]. Проведено 192 опыта. Воспроизводимость экспериментальных данных оценивалась по критерию Кохрена. В данном случае расчетное значение критерия Кохрена: Gp = 0,354 Табличное значение в данном случае G = 0,907 [70] Условие Gp G выполняется, а, следовательно, опыты считаются воспроизводимыми, а оценки дисперсий однородными.
По результатам обработки экспериментальных данных в системе компьютерной алгебры Maple получена математическая модель погрешности обработки модульным инструментом со.у.к вызванной податливостью в конструкции узла крепления в процессе резания на определенных режимах обработки для способа ориентирования по цилиндрической поверхности и плоскости (приложение 2):
В результате проведения эксперимента и обработки экспериментальных данных, получены зависимости погрешность токарной обработки, вызванной податливостью узла крепления сменного режущего модуля от режимов механической обработки для способа ориентирования по конической поверхности и плоскости. Графически зависимости представлены на рисунках 2.9 и 2.10.
Эксперименты проводились в соответствии с методиками планирования эксперимента и статистической обработки данных [70-74]. Проведено 192 опыта. Воспроизводимость экспериментальных данных оценивалась по критерию Кохрена.
Пример расчета оптимальных режимов обработки
Исходными величинами, для определения размеров пружин являются величины предварительной /} и рабочей Рг силы, величины предварительной Fx и рабочей F2 деформации или рабочий ход {F2-Fx) комплекта, режим нагружения, выносливость в циклах. Но так как в нашем случае заданы габариты пружинного узла (пружины должны быть с наружным диаметром не более 32 мм и внутренним не менее 12 мм, а также высота комплекта в свободном состоянии не должна превышать 30-35 мм), то нам остаётся лишь выбрать пружины, наиболее удовлетворяющие заданным условиям, и схему их сборки.
В предыдущем подразделе определена силу Q, стремящаяся отвести режущий модуль от базового блока, поэтому при выборе схемы сборки пружин в комплект необходимо обеспечить надёжное закрепление резцовой головки в блоке, то есть комплект пружин должен будет развивать силу, большую, чем сила Q.
Итак, учитывая вышесказанное, согласно справочнику [83], подходит тарельчатая пружина 2-1-2x31,5x16x1,8x0,65 ГОСТ 3057-79 со следующими геометрическими параметрами: наружный диаметр D = 31,5 мм, внутренний диаметр Z), = 16 мм, толщина s = 1,8 мм, высота в свободном состоянии h0 = 2,45 мм, максимальная сила при полной деформации Р3 = 510 кгс, максимальная деформация /з = 0,65 мм.
Так как нужно чтобы пружины развивали достаточно большую силу (более 9977,1 Н), то, учитывая рекомендации и данные [83], принимаем параллельно-последовательную схему сборки пружин в комплект. Тогда при данной схеме сборки: а) сила при максимальной деформации комплекта Рк=К-Рупи (3.4) где К - коэффициент, учитывающий трение при параллельной сборке; Р3 - сила пружины, соответствующая максимальной деформации; «! - количество пружин при параллельной сборке. б) максимальная деформация комплекта пружин Рк=п-Л, (3-5) где п - количество пружин при последовательной сборке; /з - максимальная деформация пружины, мм. в) высота комплекта в свободном состоянии H0K=n\h0+{nx-\)-s], (3.6) где h0 - высота в свободном состоянии пружины; s - толщина пружины. Анализируя формулы (3.4) - (3.6) и график зависимости силы при максимальной деформации комплекта Рк от максимальной деформации комплекта пружин FK, представленного в источнике [83], придём к выводу, что сила, развиваемая комплектом пружин, зависит только от количества пружин в параллельной сборке, а перемещение - от количества пружин в последовательной сборке.
Так как перемещение для нас некритично, то примем количество пружин в последовательной сборке, равное четырём, то есть п = 4, а в отношении количества пружин в параллельной сборке "i=3;
Подставляя значения К = 1,09, Р3 = 510 кгс, щ = 3, n = 4, f3 = 0,65 мм, h0 = 2,45 мм, s = 1,8 мм в формулы (3.4) - (3.6), получаем Рк =1,09-510-3 = 1667,7кгс, что в единицах СИ составит Рк «1636Q1H; Fr =4-0,65 = 2,6 мм; Я =4-[2,45+(3-1)-1,8] = 24,2мм.
Однако мы рассчитали силу комплекта Рк при максимальной деформации пружин /3, а для обеспечения требований [83] по силовым параметрам рабочая деформация /2 пружин класса II не должна превышать величины 0,8 -/3, то есть должна быть не более 0,52 мм.
Поэтому, учитывая вышесказанное, определим силу одной пружины, соответствующую рабочей деформации как Р2 = Р3 0,8 = 510- 0,8 = 408 кгс, что в единицах СИ составит Р2 4002,5 Н. И, произведя аналогичные расчёты по формулам (3.4) и (3.5), получим, что сила комплекта, соответствующая рабочей деформации, будет составлять РКг «1308 1 Н, а рабочая деформация комплекта пружин будет равна FKi = 2,08 мм.
