Особенности проектирования инструментов автоматизированного машиностроения

Особенности проектирования инструментов автоматизированного машиностроения

Проектирование режущих инструментов.

Инструменты автоматизированных производств, как и любые другие, должны при заданном качестве обработки обеспечить минимум приведенных затрат на операциях их использования. Однако в связи с особенностями функционирования автоматизированных производств ужесточаются прежние требования к инструментам или предъявляются новые, такие, как:

а)   высокая надежность работы инструмента;

б)    высокие и стабильные режущие свойства;

в)    удовлетворительное формирование и отвод стружки,

г)    быстросменность при замене;

д)   взаимозаменяемость, обеспечиваемая настройкой на размер вне станка;

е)   универсальность применения для типовых обрабатываемых поверхностей различных деталей на разных станках с ЧПУ;

ж)    повышенная точность инструментов для станков с ЧПУ.

Все эти требования вписываются в три основные, ранее рассмотренные:

  • высокая производительность;
  • малая энергоемкость процесса резания;
  • экономичность инструмента.

Пути реализации требований «а»—«ж» принципиально такие же, как и для инструментов вообще, и проектируются они по тому же, изложенному ранее алгоритму (см. и. 2.1.2). Тем не менее ужесточение основных требований и удовлетворение новых, связанных с условиями эксплуатации автоматизированного оборудования, требуют поиска иных путей решения ряда задач. Уточним некоторые из них, частично рассмотренные в п.1. 12.1.

Если в соответствии с алгоритмом проектирования проанализировать решение прежних задач, то можно выявить следующие особенности.

Прежде всего, при выборе режущего материала стремятся использовать материал более высокой теплостойкости и прочности с целью повышения производительности и надежности инструмента. Эти требования не всегда совместимы. Поэтому приходится принимать компромиссное экономически выгодное решение. С целью повышения универсальности инструментов режущие материалы в виде многогранных неперетачиваемых пластин (МНП) механически крепят к корпусам. В результате такой инструмент можно быстро переснастить пластинами другого режущего материала.

Широкое использование МНП само но себе предопределяет конструкции инструментов в основном с прогрессивными схемами резания, т.е. принудительно обеспечивается использование таких схем.

Геометрические параметры инструментов с МНП обеспечиваются как за счет параметров самой пластины, так и за счет наклонной установки пластины в корпусе инструмента. Что касается выбора оптимальных значений задних углов и углов наклона режущих кромок, то нет никаких препятствий на пути реализации этих требований. Пластины изготавливают с задними углами от 0 до 30° с малым шагом изменения, что вполне достаточно для точного воплощения оптимальных значений задних углов. Кроме того, при этом повышается универсальность инструментов: легко, без переточки и без замены корпуса можно получить инструменты с другими задними углами, заменив режущие пластины. Передние углы получают за счет выкружек на передней поверхности пластин, образуемых при прессовании (см. рис. 2.35, к, л). Кроме того, они зависят также и от угла поворота пластины, необходимого для получения выбранных значений задних углов. Поэтому для более строгой реализации оптимальных значений передних углов и достижения большей универсальности инструментов целесообразно расширить ряд передних углов у сменных многогранных пластин.

Ужесточение требований к надежности способов формиро- вания стружки повлекло за собой создание МНП с фигурными передними поверхностями, позволяющими обеспечить стружколома- ние в широком диапазоне элементов режима резания. Примеры таких решений приведены на рис. 2.35, к л.

Оптимизация шага зубьев сборных инструментов сводится к поиску таких способов закрепления пластин, которые при всех прочих условиях обеспечат минимальное значение шага. Перешагнуть границу оптимума в направлении минимизации шага не удается. Оптимизация шага зубьев цельных и составных инструментов ничем не отличается от изложенной ранее. При этом следует помнить, что оптимизация шага экономически приемлема для инструментов в массовом производстве на жестких автоматических линиях из агрегатных станков. Для станков с ЧПУ целесообразно было бы расширить номенклатуру стандартных инструментов, т.е. делать инструменты с определенным рядом чисел зубьев. Например, цилиндрическую фрезу диаметром 80 мм делать трех и более разновидностей по числу зубьев.

В решении остальных задач по алгоритму проектирования рабочей части инструментов автоматизированного машиностроения принципиальных особенностей нет. Нет их и в проектировании направляющих частей. Разница состоит разве лишь в том, что меньшее число инструментов имеет направляющие части, так как станки с ЧПУ обеспечивают точное позиционирование инструмента. По той же причине во многих случаях отпадает необходимость в подвижном соединении инструмента со шпинделем станка.

Проектирование присоединительной части отличается главным образом тем, что надо обеспечить быстросменное крепление инструментов в случае ручной замены. Примеры подобных решений для резцов и стержневых инструментов приведены на рис. 1.90.

Отличается от стандартных присоединительная часть инструментов модульных конструкций, поскольку стандартные элементы присоединительной части инструментов общего назначения мало пригодны. Они не обеспечивают требуемой точности позиционирования и жесткости, что наряду с требованиями быстрой замены инструментов и их технологичности заставило искать новые конструктивные решения присоединительных устройств. Сейчас их достаточно много. Обобщающих исследований качества таких устройств пока нет. Умозрительно лучшие конструкции будут описаны при рассмотрении вспомогательных инструментов, так как присоединительные части режущего модуля (самого инструмента) и переходников (модулей вспомогательного инструмента) одинаковы.

Взаимозаменяемость инструментов обеспечивается вводом в их конструкцию компенсаторов в виде винтов со сферической головкой, позволяющих заранее, вне станка, настроить необходимый размер инструмента. После установки такого инструмента на станок подналадка не требуется. Представления о конструкции таких инструментов и методах их настройки можно получить из рассмотрения рис. 1.92 и 1.93.

Универсальность инструментов достигается за счет модульности конструкций. Любой инструмент конкретного назначения можно получить путем быстрой сборки из унифицированных модулей. Примерами могут служить инструменты на рис. 1.95 и 2.54. Таким оригинальным способом (модульность конструкций) решается противоречие между универсальностью и специализацией инструмента. При этом унифицированные модули изготавливают специализированные предприятия. В результате — низкая стоимость модулей при высоком качестве. Единственным недостатком модульных конструкций является пониженная жесткость и трудности в достижении требуемой точности позиционирования инструмента, так как мною сочленений. Однако этот недостаток оборачивается и положительной стороной: более высокая виброустойчивость из-за демпфирования колебаний стыками модулей.

Высокая точность инструмента зависит от точности изготовления, а также выбора оптимальных, с точки зрения точности, базовых поверхностей, методов сочленения режущего инструмента со вспомогательным и со станком. Для сохранения точности позиционирования инструмента во время работы немаловажную роль играет также способ передачи усилий резания со станка на инструмент.

Особенности проектирования инструментов автоматизированного машиностроения

Используют также и другие методы повышения точности режущих инструментов. Так, например, высокая точность многолезвийных инструментов с МНП, в частности фрез, достигается за счет регулирования положения кассет с установленными в них режущими пластинами.

Точность расточных инструментов обеспечивается резцовыми вставками с микрометрическим выдвижением резцов, так называемыми микроборами.

Высокая надежность возможна при реализации методов, изложенных на рис. 1.88. Эти методы понятны. Необходимо указать лишь на одно оригинальное решение, тангенциальное расположение режущих пластин на корпусах инструментов в отличие от обычного радиального. Очень эффективно для тяжелонагруженных инструментов, например, фрез (см. рис. 1.38, ж). Режущие пластины при таком расположении выдерживают большие нагрузки, а сами инструменты более технологичны: проще изготовление гнезд под пластины.

Проектирование вспомогательных инструментов.

Вспомогательные инструменты предназначены для закрепления на станках нужных для работы режущих инструментов. Собранные таким образом инструментальные блоки должны не только отвечать функциональным требованиям, но и обеспечить минимум приведенных затрат на операциях их использования.

Функциональные требования к вспомогательным инструментам:

а)   точное позиционирование режущих кромок инструмента и хорошая повторяемость точности при перезакреплениях инструмента,

б)   возможность настройки инструментального блока на размер обработки вне станка;

в)   достаточная для работы прочность, жесткость и виброустойчивость;

г)   возможность подвода СОЖ к зоне резания,

д)   возможность подвода управляющих сигналов контроля состояния инструмента;

е)   возможность установки датчиков кодирования.

Минимум приведенных затрат на операциях использования вспомогательных инструментов можно достичь, если собранные инструментальные блоки обеспечат высокопроизводительную работу оборудования и будут экономичными. Для этого к вспомогательным инструментам следует предъявить дополнительные требования:

ж)  возможность быстрой сборки и замены инструментальных блоков;

з)   минимальная номенклатура инструментов, входящих в систему или подсистему;

и)   универсальность, допускающая использование одних и тех же вспомогательных инструментов для создания различных инструментальных блоков к разным станкам;

к)   высокая технологичность конструкции.

Проектирование начинается с изучения технического задания, в результате которого по классу обрабатываемых деталей и видамных блоков, а также универсальность и технологичность конструкций вспомогательных инструментов. Из этого неполного перечня свойств видно, что почти все качественные характеристики, в том числе и экономические, зависят от узла крепления или соединения.

Особенности проектирования инструментов автоматизированного машиностроения

  Базовыми в этих узлах являются уже известные поверхности:  

  • плоскость для базирования резцов, резцовых вставок, а также разного рода державок и переходников с развитой, для повышения точности базирования, торцовой плоскостью,
  • наружные цилиндрическая и коническая поверхности для соединения режущих инструментов с держателями и вспомогательных инструментов между собой, а также базовых оправок со шпинделями сверлильно-фрезерно-расточных станков,
  • внутренняя цилиндрическая и коническая поверхности для соединения режущих инструментов со вспомогательными и вспомогательных между собой. Эти поверхности хорошо видны на рис. 1.96—1.98.

Силы резания и крутящие моменты передаются силами трения и жесткими элементами в виде шпонок, штифтов, зубчатых муфт и других устройств,

Хвостовик базовой оправки для создания инструментального блока многоцелевого станка представлен на рис. 2.56, а, а на рис. 2.56, б — захватные устройства для затягивания хвостовика в гнездо шпинделя станка. Ниже, на рис. 2.56, в, показаны узлы соединения оиравки с другими модулями блока. Седьмой тип соединения имеет массу конструктивных решений. Такое многообразие связано с поиском оптимальной конструкции. Сейчас пока рано утверждать, которая из имеющихся конструкций лучше, нет сравнительных исследований .их свойств. Поэтому на данном этапе на основе лишь здравого смысла можно указать на лучшие решения. Несколько таких решений рассмотрим подробнее.

Особенности проектирования инструментов автоматизированного машиностроения

 

В системе «MCS-S» фирмы Hertel (рис. 2.57, а) при завертывании винта 2 происходит затягивание цилиндрического хвостовика инструмента 1 в державку 4 с помощью сухаря 5 и шариков со срезом 3 до создания необходимого натяга на торцах модулей 1 и 4 .

Система «МСН50» фирмы Hertel (рис. 2.57, б) отличается от предыдущей (рис. 2.57, а) тем, что плоские торцы инструмента 4 и державки / заменены зубчатыми полумуфтами 3 зацепления Хирта. Такое соединение может передать больший крутящий момент и обладает большей жесткостью при внецентренном нагружении (в 1,5—2,0 раза выше жесткости соединения с плоскими торцами). Поэтому система «МСН50» первоначально была разработана для токарных станков, но может применяться и для сверлильно-фрезерно-расточ- ных.

Система «RS» фирмы Hertel (рис. 2.57, в) несколько сложнее предыдущих. Здесь используется так называемый кольцевой сегментный зажим. В шпинделе 1 имеется кольцевая расточка, в которую вставляется трубчатый хвостовик инструмента 2. С внутренней кольцевой канавкой хвостовика взаимодействуют сегменты 4, количество которых зависит от размеров соединения. Сегменты 4 деформируются под действием радиальной силы со стороны шариков 3, выталкиваемых тягой 5. Торцовое замыкание может быть по плоскому торцу или по зубчатому зацеплению Хирта. Канавки под захват автооператора и размеры захватной части тяги стандартные и позволяют использовать имеющиеся узлы станков. Стандартным является также способ подвода СОЖ.

Особенности проектирования инструментов автоматизированного машиностроения

 

Заслуживает внимания 8-й тип узла крепления. Более простым и надежным из вариантов этого типа является система «Coromant-Capto» с РК-профильным соединением, характеризующимся большой несущей способностью и равномерным распределением контактных деформаций. В этой системе коническое соединение с уклоном 1015′ и с тремя дуговыми поверхностями контакта (рис. 2.57, г) обеспечивает самоцентрирование и имеет одинаковую жесткость в обоих направлениях вращения. Резцовая головка 1 тягой 4 через фигурную цангу 3, входящую во внугренний кольцевой паз головки 7, затягивается в коническое гнездо державки 2. Усилие затягивания подбирается таким образом, что торцовая поверхность головки 1 плотно прижимается к торцу державки 2. При раскреплении головки 1 тяга 4 своим буртиком выталкивает головку, преодолевая силу трения.

Рассмотренные узлы крепления универсальны. Их можно использовать для сочленения любых режущих и вспомогательных инструментов при создании инструментальных блоков к любым станкам. По технологичности системы фирмы Hertel занимают среднее положение среди других систем, но по мнению специалистов являются лучшими в настоящее время, хотя и сложнее устройств 1—6 на рис. 2.56.

Особенности проектирования инструментов автоматизированного машиностроения

Оригинальный и технологичный узел крепления резцового блока 1 в резцедержателе или оправке 4 с помощью тяги 2 (рис. 2.58) разработан фирмой Sandvik-Coromant. Под действием силы Q, приложенной к тяге 2, резцовый блок прижимается к торцу оправки и к ее боковым плоскостям в результате деформации щечек 3 резцового блока.

Во всех рассмотренных узлах крепления присоединительная часть — малой длины, что способствует ускорению замены модулей. С позиций ускорения замены инструментальных блоков и повышения жесткости и точности их соединения со шпинделями станков ставится под сомнение используемое сейчас коническое соединение с конусностью 7:24 (см. рис. 1.95).

Образцы базовых резцедержателей из подсистем вспомогательных инструментов к токарным станкам (см. рис. 1.97 и 1.98) показаны на рис. 2.59 и 2.60.

Особенности проектирования инструментов автоматизированного машиностроения

Особенности проектирования инструментов автоматизированного машиностроения

  Для обеспечения возможности автоматического поиска нужного для работы инструмента кодируют гнезда инструментального магазина или инструментальные блоки на режущем или вспомогательном модуле. Последнее более рационально, так как инструменты в магазине можно располагать в любом порядке. Способы кодирования инструмента разные Используют кодировочные кольца (рис. 2.61), ощупываемые при поиске электроконтакгными датчиками, или магнитные штрихи, считываемые магнитными датчиками. В последние годы кодирование инструмента усовершенствовалось и усложнилось. Специальные кодировочные датчики, встроенные в инструмент, позволяют записать не только код инструмента, но и его параметры, отработанное время и другие, необходимые для эксплуатации сведения.   

Особенности проектирования инструментов автоматизированного машиностроения

Более подробно вопросы проектирования инструментальной оснастки для станков с ЧПУ изложены в справочной и специальной литературе, например [62—64; 137; 138].

Контрольные вопросы

  1. Требования к режущим инструментам автоматизированного машиностроения (AM).
  2. Способы обеспечения дополнительных или ужесточения общих требований к режущим инструментам AM.
  3. Функциональные требования к вспомог ательным инструментам AM.
  4. Требования с позиций минимума приведенных затрат на операциях использования вспомогательных инструментов.
  5. Цели и способы организации подсистем и систем вспомогательных инструментов.
  6. Схемы наиболее рациональных узлов соединения модулей инструментальных блоков к станкам с ЧПУ.
  7. Структура инструментального блока в подсистеме или системе вспомогательных инструментов.

Смотрите также

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *