Основными направлениями развития технологических процессов в металлообработке в настоящее время являются производительность и гибкость. Это связано со значительным ростом номенклатуры деталей в серийном и мелкосерийном производстве и необходимостью автоматизировать их производство. Это достигается путем применения станков с ЧПУ, ГПМ и ГПС. Современные достижения в этой области позволяют достичь высокой степени автоматизации процессов обработки деталей при малых затратах времени на переналадку и высоком качестве изделий.
Однако дополнительные затраты на автоматизацию приводят к значительному удорожанию оборудования и росту стоимости станко-часа. Возникает необходимость интенсификации процессов обработки с целью сокращения сроков оку-Ь" паемости затрат на автоматизацию и повышения их эффективности.
Наряду с другими мероприятиями эффективность автоматизированного производства может быть повышена за счет применения специальных конструкций инструмента.
Для достижения заданной высокой производительности обработки этот инструмент должен обладать повышенной режущей способностью, а время технического обслуживания на его замену и подналадку должно быть минимизировано. Кроме того, инструмент должен быть достаточно точным, так как из-за отсутствия в большинстве случаев кондукторов, копиров, упоров и других приспособлений точность обработки в большой степени зависит от точности инструмента. Для автоматического цикла обработки особенно важны: высокая степень надежности инструмента, стабильный стружковод, долговечность и другие показатели.
Номенклатура инструмента должна включать все необходимые конструкции, * необходимые для обработки заданной номенклатуры деталей. Значительность величины диапазона этой номенклатуры обусловливает необходимость существенного снижения затрат на изготовление инструмента для автоматизированных производств и снижения затрат на его эксплуатацию и хранение.
Для выполнения перечисленных требований рассматриваемый инструмент систематизируют. Системы инструмента, как правило, разнообразны в связи с требованиями конкуренции на рынках сбыта. Тем не менее общим для этих систем является разделение на собственно режущий инструмент и на приспособления для его базирования и закрепления, с одной стороны, и для базирования и закрепления возникающих комбинаций на станке с другой.
Это разделение обусловлено стремлением производителей инструмента удовлетворить потребности рынка в широкой номенклатуре разнообразного инструмента с необходимой гибкостью реагирования и, одновременно, снизить затраты на изготовление инструмента путем разделения его на унифицированные узлы и детали. Последнее обеспечивает повышение серийности инструментального про-I" изводства и уменьшение сроков изготовления заказов.
Очевидно, что в таком подходе объективно заложен ряд противоречий, среди которых главным является противоречие между дифференцированием инструмента на взаимозаменяемые элементарные объемы и обеспечением интегральных свойств инструмента в соответствии с вышеперечисленными требованиями.
Разрешение этих противоречий требует создания методов проектирования рациональных систем инструмента, удовлетворяющих требованиям эффективной эксплуатации оборудования автоматизированных производств и требованиям серийного изготовления инструмента.
Создание этих методов сдерживается недостаточной разработкой теоретических положений. Значительная часть комплекса свойств, которыми должен обладать рассматриваемый инструмент оставалась ранее вне сферы внимания большинства специалистов, что не позволяет эффективно управлять качеством инструмента.
В условиях автоматизированного производства особое значение имеет изучение тех показателей надежности технологических переходов, которые обусловлены точностью, жесткостью и динамической устойчивостью соединений узлов станков и инструмента.
Точность и стабильность базирования и закрепления предварительно собранных и настроенных компоновок вспомогательного и режущего инструмента в условиях автоматической смены инструмента мало изучены.
Специальные свойства рассматриваемого инструмента, а также математические модели, описывающие его функционирование, могут быть получены на основе большого объема статистических данных, методика получения которых нуждается в разработке.
Сложность принятия решения в условиях гибкого производства деталей, необходимость рассмотрения многих элементов технологической системы требуют создания методов многокритериальной и многопараметрической оптимизации систем вспомогательного инструмента на основе обобщенных моделей. Последние должны учитывать ранее не изученные факторы.
В связи с изложенным исследование и разработка методов многокритериального проектирования систем вспомогательного инструмента, как совокупности типоразмеров их элементов, а также теоретическое обоснование комплекса конструктивных, технологических и эксплуатационных мероприятий по повышению качества вспомогательного инструмента с целью повышения эффективности автоматизированного производства является актуальной задачей.
Настоящая работа является логическим завершением большого комплекса работ, выполненных автором и коллективом научных сотрудников и инженеров под его руководством во Всероссийском научно-исследовательском инструментальном институте (ВНИИ инструмент) и Экспериментальном научно-исследовательском инструментальном институте металлорежущих станков (ЭНИМС). Настоящая диссертационная работа являлась составной частью работ по проблеме 0.16.06 ГКНТ СССР, которые имели своей целью разработку вспомогательного инструмента для станков с ЧПУ, ГПМ и ГПС.
Для реализации поставленной цели создана система критериев и методик оценки качества систем вспомогательного инструмента на различных стадиях их проектирования на основе математического описания взаимодействия металлорежущего инструмента, систем его базирования и закрепления, станка и детали в процессе обработки, многокритериальной оптимизации параметров вспомогательного инструмента и оптимизации его типоразмерных рядов с использованием раз работанных моделей.
Наиболее существенными результатами, которые выносятся на защиту, являются следующие:
— созданы и обоснованы расчетные схемы и описывающая её математическая модель взаимосвязей параметров технологического процесса, взаимодействия металлорежущего и вспомогательного инструмента, станка и детали в процессе обработки;
— определены зависимости погрешностей базирования и закрепления металлорежущего инструмента относительно станка от величин угловых и радиальных зазоров в различных соединениях станок — инструмент, что позволило дополнить теорию размерных цепей новыми сведениями о существенно влияющих на величину замыкающего звена векторных звеньях зазорах, возникающих в конических и цилиндрических соединениях и новыми сведениями о величинах этих звеньев;
— установлены зависимости жесткости закрепления от его размерных параметров инструмента при его базировании на цилиндрические и конические поверхности с новыми, нашедшими широкое применение конструкциями крепежных элементов, что позволило дополнить существующие методы расчета контактной жесткости машин и определить пути повышения суммарной жесткости технологических систем;
— созданы и обоснованы расчетные схемы и описывающие их математические модели силовых характеристик вспомогательного инструмента при базировании режущего инструмента на дуговые участки цилиндрических поверхностей с радиальными зазорами, компенсированными объемными и контактными деформациями, что позволило создать методы оптимизации конструкций регулируемого инструмента по критериям безотказности в процессе резания, обеспечения заданной точности обработки и высокого уровня унификации вспомогательного инструмента;
— установлены взаимосвязи конструктивных параметров систем вспомогательного инструмента с точностью обработки и шероховатостью обработанных поверхностей, подтверждающие правильность выбранных методов оценки качества базирования закрепления металлорежущего инструмента и путей повышения эффективности его использования;
— определены эксплуатационные показатели различных систем вспомогательного инструмента и создан банк данных о конструкциях этого инструмента, что позволило разработать их научно-обоснованную классификацию, осуществить морфологический анализ конструктивных, технологических и экономических показателей и установить эффективные варианты оснащения автоматизированного оборудования комплектами вспомогательного инструмента;
— разработаны на базе выполненных теоретических и экспериментальных исследований инженерные методики расчета:
— точности обработки с учетом параметров вспомогательного инструмента;
— допускаемых отклонений на размеры, форму и взаимное расположение присоединительных поверхностей вспомогательного инструмента;
— основных размеров вспомогательного инструмента;
— сил закрепления инструмента с базированием на цилиндрические поверхности;
— оптимального состава комплекта вспомогательного инструмента.
Результаты работы реализованы при разработке государственных и отраслевых стандартов на системы вспомогательного инструмента, на их основные элементы и на нормы точности этих элементовпри разработке методических рекомендаций по расчету и конструированию вспомогательного инструмента для станков с ЧПУ, ГПЯ и ГПС, по проверке качества этого инструмента для ГПСпри оснащении автоматизированных станочных комплексов, управляемых ЭВМ, системами вспомогательного инструментапри создании учебников для студентов машиностроительных ВУЗов и учебных пособий «Металлорежущие инструменты» и «Инструментальные системы автоматизированного производства" — при выполнении ряда курсовых работ и дипломных проектов.
Основные результаты работы доложены на Всесоюзных научно-технических конференциях «Автоматизация машиностроения на базе станков с ЧПУ и вычислительной техники» (Рига, 1989 г.), на Всесоюзном научно-техническом семинаре «Надежность режущего инструмента» (Краматорск, 1982 г.) — семинаре «Интегрированные системы в инструментальном производстве» (Москва, 1994 г.), на отраслевой научно-технической конференции «Комплексная механизация и автоматизация производства в станкостроении на основе создания гибких автоматизированных систем» (Москва, 1986 г.) — на зональной конференции «Рациональное использование инструмента на станках с ЧПУ и обрабатывающих центрах» (Пенза, 1987 г.) — на семинаре «Промышленное применение прогрессивного режущего инструмента» (Ленинград, 1991 г.).
Результаты работы доложены на многосторонних и двухсторонних встречах рабочих групп специалистов Болгарии, Венгрии, Германии, Польши, Румынии,.
Словакии, Чехии и Югославии в 1978 — 1990гг. в рамках комплексной программы научно-технического сотрудничества.
Основные положения диссертационной работы обсуждены и одобрены на заседаниях Научно-технического совета ВНИИ инструмент, Секции Научно-технического совета Минстанкопромасекции Совета НТО Машпромасекции Научно-технического совета ЭНИМС по проблеме создания станков с ЧПУ, унифицированных приводов, узлов и систем управленияна заседании кафедры «Инструментальная техника и компьютерное моделирование» Московского технологического университета «Станкин». Разработанные конструкции экспонировались на Всесоюзных выставках и отмечены медалями и дипломами.
Основные результаты исследования опубликованы в 4 монографиях и в 143 печатных работах.
Автор приносит глубокую благодарность научному консультанту д.т.н., профессору Гречипшикову В. А. за помощь в работе над диссертацией.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.
1. Разработаны методы проектирования систем вспомогательного инструмента на основе анализа взаимосвязей параметров вспомогательного инструмента и параметров технологического процесса, что позволило создать критериальную модель взаимодействия металлорежущего и вспомогательного нструмента, станка и детали в процессе обработки.
2. Определены зависимости погрешностей базирования и закрепления металлорежущего инструмента относительно станка от величин угловых и радиальных зазоров в различных соединениях станок-инструмент, что позволило дополнить теорию размерных цепей новыми сведениями о существенно влияющих на величину замыкающего звена векторных звеньях-зазорах, возникающих в конических и цилиндрических соединениях и новыми сведениями о коэффициентах относительного рассеивания величин этих звеньев.
3. Установлены зависимости жесткости закрепления инструмента при его базировании на цилиндрические и конические поверхности с вновь разработанными и нашедшими широкое применение конструкциями крепежных элементов, что позволило дополнить существующие методы расчета контактной жесткости машин соответствующими коэффициентами контактной податливости и определить пути повышения суммарной жесткости технологических систем на 15−20%.
4. Определены зависимости сил закрепления инструмента при его базировании на дуговые участки цилиндрических поверхностей при больших радиальных t зазорах, компенсированных объемными и контактными деформациями, что позволило создать методы оптимизации конструкции регулируемого инструмента по критериям безотказности в процессе резания, обеспечения заданной точности обработки и максимальной унификации.
5. Установлена взаимосвязь конструктивных параметров систем вспомогательного инструмента с точностью обработки основных поверхностей корпусных деталей и деталей типа тел вращения, виброустойчивостью процесса обработки и шероховатостью обработанных поверхностей, подтверждающих правильность выбранных методов оценки качества базирования и закрепления металлорежущего инструмента и путей повышения эффективности его использования. Полученные производственные данные позволяют дать следующую оценку:
— расчетные величины погрешностей размеров обработанных деталей совпадают с экспериментальными величинами в интервале 17% для диаметров обработки до 85 мм и в интервале 11% для диаметров обработки до 180 мм;
• - эксперименты, с составными оправками для обработки отверстий диаметром 40. 110 мм подтверждают расчетную оценку допустимого вылета составных оправок и соответствующий вывод о целесообразности применения вспомогательного инструмента, состоящего из базисных агрегатов и унифицированных сменных наладок;
— данные о достижении точности обработки отверстий по 6-му квалитету говорят о необходимости изготавливать конусы 7:24 хвостовиков вспомогательного инструмента с точностью не ниже 4-ой степени, либо применять конструкции хвостовиков, обеспечивающие натяг как по коническим поверхностям, так и по торцу шпинделя.
6. Определены эксплуатационные показатели различных систем вспомога-" тельного инструмента и создан банк данных о конструкциях этого инструмента, что позволило разработать их научно — обоснованную классификацию, осуществить морфологический анализ конструктивных, технологических и экономических показателей и установить эффективные варианты оснащения автоматизированного оборудования комплектами вспомогательного инструмента.
7. На базе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны инженерные методики, в том числе:
— методика расчета точности обработки в зависимости от параметров вспомогательного инструмента;
— методика расчета допускаемых отклонений на размеры, форму и взаимное расположение присоединительных поверхностей вспомогательного инструмента;
— методика расчета основных размеров вспомогательного инструмента;
— методика расчета сил закрепления инструмента с базированием на цилиндрической поверхности;
— методика расчета оптимального состава комплектов вспомогательного инструмента;
8. На основе предложенной методологии разработана система вспомогательного инструмента, основанная на применении базисных агрегатов и унифицированных сменных наладок, удовлетворяющая:
— требованиям эффективной эксплуатации станков автоматизированного производства с применением предварительной настройки инструмента;
— требованиям изготовления в условиях специализированного • инструментального производства и в условиях инструментальных цехов машиностроительных предприятий;
— условиям минимальных затрат при изменении составов комплектов инструмента в связи с переходом на выпуск новых изделий.
Указанная система регламентирована руководящими материалами станкостроения, принята для изготовления инструментальными заводами и внедрена на многих предприятиях машиностроения.
9. Результаты исследований приняты к внедрению и использованы ОАО «ВНИИ инструмент» — при разработке и утверждении 5 государственных и 9 отраслевых стандартов на конструкции вспомогательного инструментапри разработке отраслевого стандарта ОСТ2-ШО-3−86 «Система показателей качества.
11 продукции. Инструмент вспомогательный. Номенклатура показателей." — при разработке методических указаний РД2-Н-80−19−87 «Комплекты вспомогательного инструмента для ГПС" — при разработке методических рекомендаций «Расчет и конструирование вспомогательного инструмента для станков с ЧПУ" — при разработке методических указаний «Проверка качества вспомогательного инструмента, поставляемого для комплектации станков с ЧПУпри разработке технических условий карт технического уровня, рабочей конструкторской документации на вспомогательный инструмент для станков с ЧПУ токарной и сверлильно-фрезерно-расточной групп, а также при разработке и внедрении в практику технологических требований к оборудованию для изготовления вспомогательного инструмента.
10. Разработанные рекомендации использованы ОАО ЭНИМС при создании, государственных стандартов ГОСТ 25 827–93 «Хвостовики инструментов с конусом 7:24 для станков с ЧПУ. Основные размеры «и ГОСТ 19 860–84 «Конусы 7:24. Допуски" — при разработке методических рекомендаций «Совершенствование системы инструментообеспечения и технологической оснастки станков с ЧПУ" — при разработке и утверждении Руководящего технического материала станкостроительной и инструментальной отрасли РТМ2-П10−2-84 «Система вспомогательного инструмента для станков с ЧПУ токарной и сверлильно-фрезерно-расточной групп" — при создании головного автоматизированного станочного комплекса АСК-10.
11. Полученные зависимости и банк данных использованы МГТУ «Станкин» при разработке учебного пособия «Лабораторный практикум «Режущий инструмент" — при написании учебников для студентов машиностроительных ВУЗов «Металлорежущие инструменты» и «Инструментальные системы автоматизированного производства».
12. Результаты исследований внедрены в НПО «Оргстанкинпром» при разработке отраслевых стандартов на вспомогательный инструмент для станков с.
ЧПУ и при разработке рекомендаций по организации инструментального • хозяйства участков из станков с ЧПУна Ивановском заводе тяжелого станкостроения и Оршанском инструментальном заводе при освоении серийного производства вспомогательного инструмента, в том числе, к станкам ИС 500МФ4, ИС 800ПМФ4, ИС 320МФ4 с экономическим эффектом от внедрения результатов исследования 62 тыс. рублей в год. в.
