Основные направления повышения производительности и экономической эффективности проектируемых станков

Категория:
Металлорежущие станки


Основные направления повышения производительности и экономической эффективности проектируемых станков

Сокращение основного времени. Сокращение основного времени может быть достигнуто, с одной стороны, за счет повышения режимов резания, с другой — за счет совмещения переходов и операций.

Повышение режимов резания. Предпосылки для повышения режимов резания (скоростей главного рабочего движения и подач) создаются в связи с появлением новых материалов для изготовления режущего инструмента: новых марок твердых сплавов, быстрорежущих сталей, минералокерамических материалов и усовершенствованием конструкции и геометрии режущих инструментов. Для обеспечения полного использования возможностей современного режущего инструмента проектируемые станки должны обладать достаточной быстроходностью и мощностью.

Повышение быстроходности и мощности требует усовершенствования конструкции приводов, шпиндельных узлов, направляющих подвижных рабочих органов, повышения жесткости отдельных узлов и станка в целом. Все эти мероприятия сопровождаются известным усложнением конструкции станка и повышением его стоимости. Поэтому представляется необходимым рассмотреть вопрос об эффективности повышения быстроходности станков.

Повышение быстроходности сопровождается сокращением основного времени, однако производительность станка растет не пропорционально сокращению основного времени. Рассмотрим зависимость между ростом производительности и сокращением основного времени.

Как видно из представленных кривых, при прочих равных условиях повышение быстроходности дает заметное повышение производительности только в определенных пределах, которые зависят от величины k’. Дальнейшее повышение быстроходности, не давая существенного повышения производительности, приводит к усложнению конструкции станка.

Верхний предел повышения быстроходности ограничен режимами резания, допускаемыми режущим инструментом.

Следует заметить, что повышение быстроходности тем эффективнее, чем больше величина k’ при прочих равных условиях.

Отсутствие особой актуальности дальнейшего повышения быстроходности и мощности универсальных станков на данном этапе подтверждается также исследованиями использования ряда станков по быстроходности и мощности, результаты которых приведены ниже.

Для универсальных станков исследование влияния повышения быстроходности на производительность следует вести на основе технологических процессов обработки эталонных деталей; для специализированных и специальных станков — на основе конкретных технологических процессов.

Совмещение переходов и операций. При совмещении переходов и операций обработка ведется параллельно группой инструментов. Совместная работа инструментов может носить различный характер в зависимости от вида выполняемых операций, переходов и конструкции станка. Работа всех инструментов может протекать при одном и том же числе оборотов и при одной подаче. При этих условиях определяется число оборотов и подачи, допустимые по условиям работы каждого из инструментов, и назначается наименьшее из найденных число оборотов и наименьшая подача. Предположим, например, что при выполнении переходов, представленных на рис. 2, а, число оборотов должно быть выбрано по условиям наружной обточки, а подача — по условиям сверления.

Рис. 1. Кривые изменения производительности при изменении быстроходности.

Аналогичная картина может иметь место при работе набором фрез, так как число оборотов ограничивается скоростью резания при фрезеровании дисковыми фрезами большего диаметра, а снижение числа оборотов приведет к снижению минутной подачи.

Возможен вариант, при котором каждый из инструментов работает при своем числе оборотов, но с одинаковой подачей. В этом случае для каждого из инструментов определяется допустимая минутная подача и из всех полученных значений назначается минимальная. В этом случае также может оказаться, что время совмещенных операций будет больше суммарного времени, затрачиваемого при их раздельном выполнении.

Таким образом, при выполнении совмещенных операций при общих для ряда инструментов числах оборотов и подачах необходимо в каждом отдельном случае проверить получающиеся результаты.

При работе каждого из инструментов или соответственно подобранных групп инструментов, при независимо настраиваемых числе оборотов и подаче время совмещенных операций или переходов меньше суммарного времени, затрачиваемого при их раздельном выполнении. Однако в последнем случае усложняется конструкция станка либо за счет увеличения числа подвижных рабочих органов, либо числа позиций и др.

В ряде случаев к совмещению операций прибегают независимо от того, что это приводит к некоторому увеличению основного времени, так как при этом сокращается число установок и уменьшаются затраты времени на закрепление и снятие заготовки, что в конечном итоге ведет к повышению производительности.

Сокращение остальных составляющих нормы времени. Установка, закрепление и снятие обрабатываемой детали. Вопросы установки и снятия обрабатываемой детали решаются в зависимости от ее веса. При небольшом весе заготовки установка и снятие детали в условиях единичного и мелкосерийного производства производится вручную, а в условиях крупносерийного и массового — с помощью автоматических загрузочных устройств. При значительном весе заготовки установка вручную становится трудоемкой, а во многих случаях просто невозможной. Следует заметить, что большой вес имеют даже сравнительно небольшие заготовки, так заготовка валика размером 60 X 500 мм весит около 11 кг. При установке такого валика в центрах его необходимо поддерживать одной рукой на весу, а другой подводить задний центр, что быстро утомляет рабочего при обработке партии подобных деталей. Поэтому при проектировании станков, предназначенных для обработки деталей более или менее значительного веса, необходимо предусматривать местные подъемно-транспортные устройства, например в виде консольной поворотной балки с пневматическим подъемником и т. п.

Рис. 2. Совмещение операций и переходов.

Вопросы выверки, целью которой является соответствующая ориентация обрабатываемой детали, были затронуты выше. В условиях крупносерийного и массового производства необходимость выверкй исключается благодаря применению соответствующих приспособлений. В условиях единичного и мелкосерийного производства затраты на приспособления могут привести к повышению себестоимости обработки. Во многих случаях необходимые условия для применения приспособлений в мелкосерийном производстве могут быть созданы на основе внедрения группового метода обработки, при котором для группы деталей различного наименования, имеющих общие технологические признаки, создается групповое зажимное приспособление.

Сокращение затрат времени на закрепление обрабатываемой детали также достигается на основе применения приспособлений. Наилучшие результаты получаются при использовании приспособлений с пневматическими, гидравлическими, пневмо-гидравлическими, электромеханическими и другими приводами. Возможность установки приспособлений с подобными приводами следует предусматривать заранее при проектировании станка, встраивая в станок всю необходимую пускорегулирующую аппаратуру, или, как минимум, предусматривая необходимые места для крепления и размещения этой аппаратуры.

В отдельных случаях затраты времени на закрепление обрабатываемой детали связаны с конструкцией рабочих органов станка. Так, для сокращения затрат времени на закрепление детали в центрах токарного станка скалку задней бабки снабжают пневматическим или гидравлическим приводом.

Сокращение времени установки, выверки, закрепления и снятия обрабатываемой детали может быть достигнуто за счет совмещения этого времени с основным временем. Подобное совмещение может быть осуществлено при использовании маятникового цикла движений, двухпозиционных и многопозиционных столов, методов непрерывной обработки. Во всех упомянутых случаях увеличивается количество используемых приспособлений, а соответственно и затрат на их изготовление, что неизбежно отражается на себестоимости операции. Благодаря указанному обстоятельству данные методы находят преимущественное применение в крупносерийном и массовом производстве. Применение групповой технологии создает перспективы внедрения подобных методов и в мелкосерийное производство, при этом многопозиционные станки должны проектироваться с учетом технологии обработки всех деталей, входящих в группу. Станок может иметь те или иные рабочие органы, которые будут использованы при обработке только некоторых деталей, входящих в группу, и ряд рабочих органов, используемых при обработке всех деталей, входящих в группу.

Таким образом, применение групповой технологии создает перспективы для внедрения высокопроизводительных специализированных и агрегатных станков в мелкосерийное производство.

Установка, выверка и закрепление режущего инструмента. Влияние затрат времени на установку, выверку и закрепление режущего инструмента на величину нормы времени зависит от характера технологического процесса. При дифференцированном процессе, когда установка и закрепление производятся один раз на партию, влияние рассматриваемых затрат времени невелико. Однако и в этом случае имеется стремление сократить затраты времени. Например, на отдельных моделях станков появляются специальные приводы для вращения или осевого перемещения затяжных болтов для закрепления оправок.

При концентрации переходов и операций эти затраты могли бы оказаться весьма значительными, поэтому в данном случае необходимо использовать соответствующие конструктивные решения, позволяющие сократить указанные затраты.

При использовании последовательно работающих инструментов применяются различного рода быстросменные державки и патроны с предварительно настроенными инструментами, многопозиционные резцедержатели и револьверные головки. Если для выполнения токарных работ револьверные головки находят широкое применение на станках различных типов, то на станках других типов револьверные головки стали применяться только в последнее время. В качестве примера можно указать на револьверно-сверлильные станки, которые выпускаются в различных модификациях. Не исключена возможность применения револьверных головок и на фрезерных станках.

При автоматизации станков, на которых в процессе обработки приходится использовать большое число различных инструментов, например горизонтально- и координатнорасточных, используются автоопера-торы, аналогичные автооператорам, применяемым для загрузки заготовок. Комплект инструмента помещается в магазине, откуда он с помощью автооператора подается к устройству для закрепления инструмента. Инструмент, выполнивший свою работу, снимается автооператором и подается в магазин. Устройство для закрепления инструмента также при этом автоматизируется.

При параллельной работе нескольких инструментов, связанных с одним рабочим органом, взаимная координация обрабатываемой детали и режущего инструмента осуществляется за счет координации режущих инструментов относительно друг друга и координации рабочего органа относительно обрабатываемой детали. Координация положения режущих инструментов друг относительно друга часто должна производиться с высокой точностью, что делает этот процесс весьма трудоемким. Поэтому при конструировании инструментодержателей необходимо предусматривать регулировочные устройства для перемещения режущего инструмента в процессе настройки, шаблоны и индикаторные устройства для установки инструмента, съемные инструментодержатели, установка в которых инструментов производится вне станка с помощью шаблонов или индикаторных устройств.

Если координация положения каждого из инструментов относительно обрабатываемой детали осуществляется за счет соответствующих установочных перемещений рабочих органов станка, то затраты времени на выверку режущего инструмента сокращаются.

В зависимости от характера построения технологического процесса затраты времени на установку, выверку и закрепление режущего инструмента могут быть отнесены к различным элементам нормы времени. При обработке единичных деталей все затраты могут быть отнесены к вспомогательному времени; при обработке партии деталей на настроенном станке затраты времени на поворот многопозиционных инструментодержателей относятся к вспомогательному времени, а установка и выверка инструментов при их затуплении — ко времени технического обслуживания.

Настройка станка в соответствии с конфигурацией и размерами обрабатываемой детали и холостые перемещения. Настройка станка в соответствии с конфигурацией и размерами обрабатываемой детали осуществляется путем грубых и точных установочных перемещений рабочих органов, а на станках с автоматическим управлением — также путем настройки тех или иных механизмов системы автоматического управления. Как уже указывалось выше, в ряде случаев для настройки станка в соответствии с конфигурацией и размерами обрабатываемой детали оказывается также необходима непосредственная регулировка режущих инструментов в инструментодержателях.

Грубые установочные перемещения производятся как в процессе подготовки станка для обработки партии деталей, так и в процессе обработки каждой из деталей партии. К числу первых, например, относятся установка траверсы и шпиндельных бабок продольнофрезерного станка, предварительная установка стола и шпиндельной бабки расточного станка и т. п. Время, затрачиваемое на эти установочные перемещения, должно быть отнесено к подготовительно-заключительному времени. К числу вторых относятся, например, быстрое перемещение стола фрезерного станка при подводе детали к фрезам, быстрый обратный ход стола, перемещения стола и шпиндельной бабки расточного станка при переходе от обработки одного отверстия к обработке другого. Время, затрачиваемое на эти перемещения, должно быть отнесено к вспомогательному времени.

Сокращение времени, затрачиваемого на грубые установочные перемещения, достигается использованием специальных приводов для быстрых перемещений указанных рабочих органов, которые должны быть предусмотрены в конструкции станка.

Точные установочные перемещения на станках, не имеющих системы автоматического управления, в большинстве случаев осуществляются с помощью ручных приводов. Продолжительность времени, затрачиваемого на точные установочные перемещения, в значительной мере зависит от совершенства отсчетных устройств, применяемых для отсчета величины точных установочных перемещений. Поэтому конструкции отсчетных устройств должно быть уделено самое серьезное внимание.

Для сокращения затрат времени на повторяющиеся установочные перемещения при обработке партии одинаковых деталей отсчетные устройства могут снабжаться дополнительными указателями, или вместо отсчетных устройств могут быть использованы ограничители установочных перемещений рабочих органов.

В отдельных моделях станков точные установочные перемещения осуществляются на автоматическом ходу; для остановки рабочего органа в заданном положении используются либо ограничители установочных перемещений, либо та или иная система цифрового программного управления. Такого рода решения применяются, например, на горизонтально-и координатнорасточных станках, где этим обеспечивается значительное сокращение затрат времени на установочные перемещения. Станки с ограничителями установочных перемещений могут быть использованы при обработке большей или меньшей партии одинаковых деталей, при этом следует учитывать, что возрастают затраты времени на настройку станка. Станки с цифровым программным управлением для установочных перемещений требуют значительно меньших затрат времени на настройку и могут быть использованы как при обработке партии, так и единичных деталей. Следует заметить, что в ряде случаев использование ограничителей или системы цифрового программного управления для установочных перемещений позволяет отказаться от применения приспособлений, что приводит к существенному снижению себестоимости обработки.

Настройка станка в соответствии с заданными режимами работы и управление станком. При настройке станка в соответствии с заданными режимами работы устанавливается необходимая скорость главного рабочего движения и движения подачи. При дифференцированном процессе скорость и подача могут устанавливаться один раз на всю партию и в этом случае время, затрачиваемое на установку скорости и подачи, входит в состав подготовительно-заключительного времени и не играет столь существенной роли. При концентрации переходов и операций установка скорости и подачи может происходить многократно при выполнении каждого перехода и в этом случае затраты времени, которое входит в состав вспомогательного времени, существенно отражаются на норме времени. Затраты времени зависят от совершенства конструкции органов переключения скоростей и подач.

Органы переключения скоростей и подач могут иметь различную конструкцию, которая во многом определяется системой привода, однако независимо от конструкции механизмов переключения само переключение осуществляется с помощью большего или меньшего числа рукояток или в отдельных случаях кнопок. Чем больше число рукояток, тем больше времени затрачивается на переключение скоростей и подач. Некоторого сокращения времени можно достигнуть за счет усовершенствования таблиц, в соответствии с которыми производится установка рукояток. Однако значительно большие результаты могут быть получены при использовании однорукояточных механизмов переключения соответствующей конструкции и механизмов с предварительным, набором скоростей и подач. При однорукояточных механизмах любая скорость устанавливается поворотом одной рукоятки. Механизмы с предварительным набором скоростей и подач также являются однорукояточными, однако они отличаются тем, что скорость, необходимая для выполнения следующего перехода, набирается в то время, когда станок работает на ранее установленной скорости. По окончании предыдущего перехода ранее набранная скорость включается одним нажимом рукоятки. При данной конструкции механизмов переключения время набора скорости совмещается с основным временем. Несмотря на то, что однорукояточные механизмы переключения и механизмы с предварительным набором скоростей имеют более сложную конструкцию, они находят широкое применение на станках самых различных типов: токарных, фрезерных, горизонтальнорасточных, револьверных, радиальносверлильных и др., обеспечивая существенное сокращение затрат вспомогательного времени.

В последнее время начали применяться механизмы переключения скоростей и подач с программным управлением. В этом случае заранее, в соответствии с заданным технологическим процессом, устанавливается с помощью тех или иных устройств программа переключения скоростей и подач. По окончании очередного перехода автоматически включается скорость и подача, требующиеся для следующего перехода. Такая конструкция не только дает сокращение соответствующих затрат времени, но и обеспечивает выполнение каждого перехода при установленных технологом скоростях и подачах.

В процессе управления станком осуществляется включение, выключение и реверсирование различных приводов: главного рабочего движения и подачи, установочных перемещений, зажимных приспособлений и др.

Включение и выключение также осуществляется с помощью рукояток и кнопок. В данном случае сокращение затрат времени достигается уменьшением числа органов управления путем целесообразного совмещения различных функций в одной рукоятке.

Существенное влияние на уменьшение затрат времени на настройку в соответствии с заданными режимами работы и управление станком оказывает размещение рукояток и других органов управления. Все рукоятки и органы управления должны быть сконцентрированы вблизи местопребывания рабочего. Если в процессе работы рабочий может находиться в различных местах, то наиболее часто используемые органы рекомендуется дублировать. Рукоятки и другие органы управления следует располагать по высоте и по фронту так, чтобы рабочий при пользовании ими занимал бы удобное положение. Сама форма рукояток должна быть удобной для захвата их рукой.

Форма и расположение органов управления должна исключать возможность случайного включения тех или иных движений рабочих органов, а органы выключения должны быть легко доступны и ярко окрашены с тем, чтобы в случае аварии рабочий мог бы быстро выключить станок.

Значительные затраты времени вызывает выключение подачи рабочих органов при достижении заданных размеров, так как при этом во многих случаях возникает необходимость в промерах. Для сокращения этих затрат применяются отсчетные и измерительные устройства, позволяющие на ходу вести наблюдение за величиной перемещения рабочего органа, и ограничители рабочих ходов, работающие совместно с механизмами автоматического останова.

Наличие механизмов автоматического останова является также одним из необходимых условий внедрения многостаночного обслуживания.

В станках-полуавтоматах и автоматах все необходимые переключения осуществляются автоматически, в соответствии с сигналами, подаваемыми системой автоматического управления. При этом достигается значительное сокращение затрат времени на все рассмотренные процессы, однако, как отмечалось выше, возрастают затраты подготовительно-заключительного времени на настройку механизмов системы автоматического управления, а в ряде случаев и затраты средств на подготовку носителей программы.

Техническое и организационное обслуживание станка. Одним из существенных элементов затрат времени на техническое обслуживание станка является время на смену и регулировку инструмента при смене и на регулировку инструмента при подналадке. Вопросы сокращения затрат времени на смену инструмента затронуты выше. Сокращение затрат времени на регулировку инструмента при подналадке достигается путем введения системы автоматической под-наладки. Однако системы автоматической подналадки сравнительно сложны и для каждого рабочего органа, несущего инструмент, требуется независимая система автоматической подналадки. Поэтому системы автоматической подналадки находят пока лишь ограниченное применение в тех случаях, когда требуется лишь подналадка одного инструмента.

Сокращение затрат времени на уборку стружки, которое также входит в состав времени на техническое обслуживание станка, достигается путем придания рациональной формы стружкосборникам, применением выдвижных стружкосборников и механизмов автоматического удаления стружки, транспортирующих стружку от станка к тем или иным стружко-приемникам. Весьма важную роль играет при этом использование соответствующей конструкции режущих инструментов, обеспечивающих дробление стружки.

В состав времени, затрачиваемого на организационное обслуживание станка, входят смазка и чистка станка. Сокращение этих затрат может быть достигнуто путем введения централизованной системы смазки.

Подготовительно-заключительное время. Из числа элементов подготовительно-заключительного времени с конструкцией станка связано только время, затрачиваемое на предварительную настройку станка. Обычно этo время приобретает существенное значение при настройке станков-автоматов и полуавтоматов. Затраты времени зависят от системы автоматического управления и характера инструментальной настройки станка и колеблется, по данным ЭНИМС, для распространенных конструкций в указанных ниже пределах (в ч):

Многорезцовые одношпиндельные токарные полуавтоматы 2—3,5
Токарно-револьверные автоматы ……….- 4—8,0
Автоматы продольно-фасонного точения…………….3—6,5
Многошпиндельные прутковые токарные автоматы:
со сменными кулачками………… 8,5—12,0
с постоянными кулачками………………….4—6,5
Вертикальные многошпиндельные полуавтоматы …. 20—34,0

При обработке на полуавтоматах и автоматах небольших партий деталей сокращение основного и вспомогательного времени не компенсирует увеличения доли подготовительно-заключительного времени, что в результате приводит к увеличению штучно-калькуляционного времени.

Во многих случаях необходимы также дополнительные затраты на изготовление специальных кулачков. Вследствие указанных обстоятельств обработка небольших партий деталей на автоматах и полуавтоматах общеизвестной конструкции является экономически неэффективной.

В ряде случаев применение групповых методов позволяет эффективно использовать полуавтоматы и автоматы для обработки небольших партий деталей, так как при этом сокращается время переналадки при переходе от обработки одной партии к другой и отпадает необходимость в изготовлении специальных кулачков для каждого из наименований деталей, входящих в группу. Однако широкое внедрение полуавтоматов и автоматов в мелкосерийное производство может быть обеспечено только при создании новых конструкций автоматов.

При создании подобных полуавтоматов и автоматов необходимо обеспечить: сокращение затрат времени на инструментальную настройку станка, сокращение затрат времени на настройку системы автоматического управления и сокращение затрат на подготовку программоносителей.

Решение первой задачи может быть достигнуто при сокращении числа инструментов, участвующих в работе, и применении минимального числа инструментов — одного, двух, — используемых для получения точных размеров. Уменьшение числа инструментов должно сопровождаться усложнением автоматических циклов движений рабочих органов станка, что приводит к усложнению функций системы автоматического управления.

В последнее время появился ряд систем автоматического управления, которые позволяют в той или иной степени решить все возникающие задачи: получить сложные автоматические циклы движений рабочих органов, сократить затраты времени на настройку системы автоматического управления и затраты на подготовку программы. К числу этих систем относятся: программно-путевое управление, следящие системы для позиционных перемещений и цифровое программное управление. Принципы работы этих систем, их достоинства и недостатки, область применения будут рассмотрены ниже, здесь же заметим, что создание подобных систем и, в первую очередь, системы цифрового программного управления создает предпосылки для широкого внедрения станков полуавтоматов и автоматов в мелкосерийное производство и тем самым перспективы широкой автоматизации процессов механической обработки.

Окончательный выбор типа проектируемого станка должен базироваться на тщательном анализе всех рассмотренных выше факторов, определяющих его производительность и экономическую эффективность.

Для фактической производительности станка в процессе эксплуатации существенное значение имеет правильный выбор основной технической характеристики: скорости главного рабочего движения и подачи, мощности приводов главного рабочего движения и подачи. Для специальных станков основная техническая характеристика определяется на основе конкретных технологических процессов; сложнее обстоит дело с определением основной технической характеристики универсальных и специализированных станков.

Следует заметить, что правильное определение основной технической характеристики имеет также существенное значение для конструкции станка в целом, так как пределами изменения скоростей и подач, мощностью приводов определяется их кинематика и конструкция, а также конструкция ряда основных узлов станка. Поэтому определению основной технической характеристики станка должно быть уделено серьезное внимание.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум