Стадии проектирования и подготовки станка к производству

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ИНСТИТУТ МАШИНОСТРОЕНИЯ

КАФЕДРА "РЕЗАНИЕ, СТАНКИ И ИНСТРУМЕНТЫ"

Портнов С. В.

Расчет и конструирование станков

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

Стадии проектирования и подготовки станка к производству

Проектирование универсальных и специальных станков ведётся по следующим стадиям:

1. Разработка технического задания.

2. Разработка технического предложения.

3. Эскизный проект.

4. Технический проект.

5. Рабочий проект.

Проектирование специальных станков ведётся в 2-е стадии:

1. Разработка технического предложения (проекта).

2. Разработка рабочего проекта.

Исходным документом для проектирования специальных станков является техническое задание, выданное заказчиком.

По рабочему проекту завод изготавливает, как правило, опытный образец станка, который испытывает и принимает заводская и отраслевая приёмочная комиссии. Выявившиеся при испытании недостатки конструкции станка устраняют и соответствующие изменения вносят в чертежи. По исправленным и уточнённым чертежам может быть выпущена опытная партия станков для дополнительной проверки станка в условиях эксплуатации. Если результаты испытаний положительны, то выдаётся удостоверение на право серийного производства станка.

На каждой стадии создаётся комплекс технических документов:

1. Техническое задание:

Содержит следующие материалы:

· Устанавливается основное назначение.

· Техническая характеристика.

· Показатели качества станка.

· Технико-экономические требования к проектируемому станку.

· Перечень необходимых стадий разработки конструкторской документации и её состав.

· Специальные требования к станку.

2. Техническое предложение:

Содержит следующие материалы:

· Основание для разработки новой гаммы станков или нового образца станка.

· Назначение и область применения разрабатываемого станка.

· Краткий обзор существующих лучших образцов подобных станков отечественного и зарубежного производства.

· Обоснование необходимости разработки и изготовления новой гаммы станков или нового станка по предлагаемым параметрам.

· Данные о проведении экспериментальных работ применительно к будущему станку, технологии.

· Указание типоразмера станка, намечаемого в качестве базовой модели, с техническим обоснованием возможных его конструктивных и размерных модификаций.

· Основная техническая характеристика базовой модели и её модификации. Краткое описание их конструктивных особенностей.

· циклограмма работы (для автомата).

· Данные о патентоспособности.

· Преемственность с выпускаемыми моделями подобного назначения, степень взаимной унификации по узлам и другим элементам, использование деталей выпускаемых станков и нормализованных деталей.

· Основные технико-экономические показатели (производительность, мощность, габаритные размеры, вес и т. д.). Предполагаемый эффект от внедрения станка.

· Техническая перспектива выбранной технологии обработки деталей (при проектировании специализированных станков).

· Ориентировочный перечень принадлежностей, входящих в комплект станка, а также поставляемых по особому заказу.

· Схемы и чертежи:

а) предварительная кинематическая схема

б) предварительные принципиальные гидравлическая, электрическая схемы и описание их особенностей

в) эскизные чертежи общего вида или компоновки базовой модели

г) эскизные чертежи основных узлов базовой модели

· Предварительные данные о новых комплектующих изделиях, необходимых для основания нового образца.

· Приложения: протокол согласования с заводом-изготовителем; заключение по техническому предложению; проект плана проведению совместного с другими организациями исследовательских, проектно-конструкторских работ и изготовление образца.

· Художественно-конструкторские предложения:

а) 2 – 3 варианта первоначальных компоновок станка

б) 2 – 3 варианта эскизов станка в ортогональных и аксонометрических проекциях

в) обоснование и анализ художественно-конструкторского решения

3. Эскизный проект

Содержит конструкторские документы с принципиальными конструктивными решениями, дающими общее представление об устройстве, принципе работы изделия, а также данные, определяющие назначение, основные параметры и габаритные размеры разрабатываемого станка.

4. Технический проект

Содержит документы:

· Основание для разработки нового образца станка (ссылка на распоряжение, техническое задание и с.д.).

· Данные о результатах экспериментальных работ, связанных с проектированием станка.

· Описание конструктивных особенностей нового станка.

· Технологическая характеристика станка.

· Чертежи и схемы:

а) общий вид станка с основными габаритными размерами и указанием органов управления и предельных положений движущихся узлов

б) кинематическая схема

в) принципиальные гидро и электросхемы с кратким описанием их особенностей и цикла работы станка

г) общие виды узлов с основными посадочными и увязочными размерами

д) общие виды узлов автоматизированной загрузки и разгрузки для станков, встраиваемых в АЛ

· Циклограмма работы (для автоматизированных станков).

· Силовые, прочностные и кинематические расчеты.

· Степень использования нормализированных и унифицированных элементов и применение принципов агрегатирования при компоновке станка.

· Нормы отчетности на станок.

· Решение вопросов технологичности конструкции, применительно к производственным условиям завода-изготовителя.

· Чертежи типовых наладок для специализированных станков.

· Решение вопросов ТБ.

· Перечень и чертежи общих видов принадлежностей и приспособлений, входящих в стоимость станка.

· Основные т/экономические показатели (трудоемкость изготовления, производительность, мощность, точность, надежность, габаритные размеры, вес и т.п.) разрабатываемой модели. Предполагаемый эффект от внедрения.

· Данные о патентной чистоте. Перечень авторских свидетельств, полученных при проектировании станка.

· Перечень новых видов комплектующих изделий и материалов, необходимых для освоения производства образцов.

· Дополнительные данные о станке. Технические условия на сборку и регулировку узлов и на общую сборку станка.

· Приложение: копии контрактов, распоряжений и других документов, являющихся основанием для разработки технического проекта; утвержденный протокол рассмотрения тех. предложения.

· Художественно-конструкторский проект:

а) модель или макет станка

б) компоновочные чертежи и изображение станка в перспективе

в) данные о выборе конструкционно-отделочных материалов и заказ на эти материалы

г) пояснительная записка

5. Рабочий проект

Содержит материалы:

· Пояснительная записка.

· Чертежи общих видов и узлов станка, рабочие чертежи деталей, кинематическая и электросхемы и т.д.; спецификации и ведомости.

· Проверочные расчеты на прочность основных деталей станка.

· Методика испытаний станка с указанием режимов его работы, чертежами и спецификациями.

· Временное руководство к станку.

· Расчет экономической эффективности и внедрения станка в промышленность.

· Патентный формуляр.

· ТУ на станок в целом и на отдельные его узлы:

а) предварительные замечания

б) комплектность станка

в) тех. требования к материалам и заготовкам, к отдельным узлам и деталям и к станку в сборе

г) правила приемки и методы испытаний

д) маркировка и клеймение

е) покрытие и окраска

ж) комплектность запасных частей, инструментов и принадлежностей

з) смазка, укладка, упаковка

и) хранение и транспортирование

к) гарантии

л) перечень приложений к ТУ, содержащих ведомственные и заводские нормали, ведомость заменителей материалов, ведомость невзаимозаменяемых деталей и узлов, ТУ на сварные и клепаные соединения, ТУ на примененные нестандартные материалы, инструкции на специальные ТП.

§ Основные технико-экономические показатели станков и станочных систем

1. Максимальная производительность при обеспечении заданной точности.

Производительность станка может быть оценена количеством деталей, обрабатываемых в единицу времени. Для повышения производительности следует понизить как основное время, необходимое на резание, так и вспомогательное, затрагиваемое на установку и снятие заготовки, управление станком, контроль обрабатываемой детали и т. д.

Основное время уменьшается за счет увеличения режимов резания и числа одновременно работающих инструментов, улучшение конструкции и инструментов и т. д. Вспомогательное время уменьшается автоматизацией работы станка, совмещением с рабочим временем и т. д.

На универсальных станках с ручным управлением повышение производительности достигается за счет рационального и удобного расположения органов управления и т. д.

2. Точность работы станка

Это стабильность получения заданной геометрической формы обрабатываемой детали, качества её поверхности и точности размеров, определяющих основные параметры формы.

Точность работы станка зависит от геометрической и кинематической точности станка, температурных деформаций станка, жесткости деталей и станков, износа деталей, правильной установки и эксплуатации станка, конструкции и точности зажимных приспособлений и т. д.

Повышение точности работы станков достигается:

1) совершенствованием конструкций отдельных элементов и узлов.

2) повышением жесткости и виброустойчивости.

3) понижением тепловых деформаций.

4) повышением точности изготовления деталей и качества сборки станков.

Геометрическая точность станков регламентируется соответствующими ГОСТами. ЭНИМС разработана нормаль станкостроения Н70-11, которая делит все станки на 5-ть классов точности: Н – нормальной точности; П – повышенной точности; В – высокой точности; А – особо высокой точности; С – особо точные.

Геометрическая точность является необходимым, но недостаточным условием обеспечения требуемой точности работы станка, т. к. не учитывает действия других факторов, от которых зависит точность станка под нагрузкой – динамическая точность.

Она проверяется путем изготовления на станке контрольной детали и её проверкой – измерением.

Шероховатость обрабатываемой детали зависит от её материала, режущего инструмента, режимов обработки, от степени вибраций при резании и т. д.

Виброустойчивость может быть повышена за счет повышения жесткости системы СПИД и применением демпфирующих устройств.

Для повышения жесткости станков необходимо:

1) создавать замкнутые рамные конструкции станков.

2) применять цельные литые станины, имеющие коробчатую форму с внутренними перегородками и диагональными рёбрами.

3) понизить число станков и повысить качество их обработки.

4) рационально распределить нагрузки в станке между узлами.

5) применять предварительное нагружение (натяг) в сопряжениях и опорах.

6) применять направляющие качения с предварительным натягом.

7) увеличивать диаметр шпинделя, уменьшать длину его консоли.

8) применять в приводе подач шариковые и гидростатические винтовые пары.

9) уменьшать количество звеньев в кинематических цепях.

10) увеличивать жесткость закрепления инструментов.

11) применять надёжное закрепление подвижных узлов в процессе обработки.

Для повышения виброустойчивости необходимо:

1) производить виброизоляцию станков с целью уменьшения влияния внешних возмущений, передаваемых через основание.

2) применять различные демпфирующие устройства.

3) выносить из станка источники вибраций – электродвигатели, насосы г/систем, систем смазки и охлаждения и т. д.

4) применять регулируемый электропривод, для уменьшения количества зубчатых передач, которые являются источниками вибраций.

5) применять раздельный привод.

6) применять высокоточные подшипники в опорах шпинделя.

7) применять косозубые колеса и шестерни вместо прямозубых.

8) повысить точность изготовления зубчатых колёс и шкивов ременных передач, применять в ременных передачах бесконечные ремни высокого качества.

9) выбрать рациональные режимы обработки и геометрию инструмента.

10) проводить балансировку быстровращающихся частей станка и электродвигателя.

11) повысить точность изготовления деталей, качество сборки станков и т. д.

Для уменьшения тепловых деформаций станков необходимо:

1) создавать термосимметричные конструкции узлов станков.

2) применять конструкции, обеспечивающие компенсацию температурных деформаций.

3) выносить из станка источники тепловыделения (электрооборудование, баки гидросистемы, эмульсии).

4) применять интенсивное охлаждение встроенных приводов.

5) снижать потери на трение в приводах.

6) подбирать для сопряжений материалы с близкими или одинаковыми коэффициентами линейного расширения.

7) размещать г/цилиндр привода стола рядом со станком, а не под ним.

8) применять устройства для охлаждения масла гидросистемы.

9) искусственно выравнивать температурное поле станка путём подогрева или охлаждения отдельных его частей.

10) создавать термоконстантные цеха и участки.

Кроме того точность и качество работы станка обеспечиваются:

1) выбором рациональной компоновки станка.

2) правильным выбором материалов и термообработки для ответственных деталей.

3) применением направляющих качения и гидростатических направляющих.

4) применением в цепях подач и других узлах зубчатых колёс с устройствами для выбора зазоров.

5) применением устройств для защиты направляющих.

6) применением устройств для тонкой очистки СОТС (для улучшения чистоты обработки).

7) применением механизмов компенсации износа шлифовального круга.

8) применением устройств для автоматического контроля размеров деталей в процессе обработки с автоподналадкой на размер.

9) закалкой и шлифовкой направляющих.

10) повышением общей культуры производства.

3. Надёжность станков и станочных систем.

Надёжность – способность станка работать безотказно и обеспечивать бесперебойную обработку деталей в заданных условиях эксплуатации.

Надёжность обуславливается безотказностью, ремонтоспособностью и долговечностью частей и станка в целом.

Безотказность – свойство станка непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени. Она характеризуется вероятностью безотказной работы и интенсивностью отказов.

Долговечность – свойство изделия сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонта.

Долговечность станка в целом связана главным образом с изнашиванием подвижных соединений, усталостью под действием переменных напряжений и т. д.

Ремонтоспособность – свойство, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов и восстановлению работоспособного состояния путём проведения ТО и ремонтов.

Станок, обладающий высокой надёжностью при низкой производительности нельзя назвать технически современным. Надёжность в основном зависит от кинематики, конструкции, технологии, от качества изготовления деталей сборки и от условий эксплуатации.

Диагностирование является эффективным средством повышения надёжности станков и станочных систем. Поиск и диагностику ошибок, неисправностей, опасных отклонений от нормальной работы осуществляют различными методами.

При использовании функциональной модели станок и его отдельные узлы разбивают на конечное число функциональных блоков с одним выходным контролируемым параметром. Дефектное состояние функционального блока соответствует нулевому значению параметра, а нормальное состояние соответствует булевому значению « 1 ». Конкретный набор булевых значений оценочных параметров характеризует определённый вид отказа и соответственным образом кодируется. Для быстрого анализа ситуации используют ЭВМ.

При непрерывном действии станка или его узла используют параметрический метод диагностики. В этом случае мат. модель станка составляют в виде системы дифференциальных уравнений. В соответствии с принятой целевой функцией для станка или его узла выбирают критерии оптимизации, по которым на основе текущей информации осуществляется непрерывное регулирование и диагностика.

4. Гибкость станочного оборудования.

Это способность к быстрому переналаживанию при изготовлении новых деталей. Гибкость характеризуется универсальностью и переналаживаемостью.

Универсальность определяется числом разных деталей, подлежащих обработке на данном станке.

Переналаживаемость определяется потерями времени и средств на переналадку станка, при переходе от одной партии заготовок к другой.

С увеличением числа деталей в партии общие затраты на переналадку уменьшаются, но при этом увеличиваются затраты на хранение деталей.

5. Простота, лёгкость и безопасность обслуживания и ремонта.

Уменьшение утомляемости рабочего и безопасности работы на станке достигается максимальной автоматизацией, удачной компоновкой станка, рациональным расположением органов управления, обеспечением малых усилий на органах управления, а также легкодоступностью деталей и отдельных механизмов при отладке и замене, снижением шума, рациональным освещением, обеспечением возможности работы сидя, выполнением требований техники безопасности.

6. Низкая себестоимость изготовления деталей на станке.

Для этого надо обеспечить максимальную производительность и степень автоматизации.

7. Малые затраты на изготовление станка и малые эксплуатационные расходы.

Достигаются за счет повышения технологичности станка, применения стандартных и нормализованных деталей и узлов, повышением КПД, совершенной организацией производства на заводе-изготовителе.

8. Малая металлоёмкость и габаритные размеры.

Металлоёмкость (М) характеризуется количеством металла, приходящегося на единицу можности привода главного движения станка.

В современных станках общего назначения М = 200 ¸ 1000 кг/кВт. Вес деталей из чугунного литья составляет ~ 80% от общего веса станка.

Вертикальная компоновка является более выгодной с точки зрения рационального использования площадей.

9. Технологичность конструкций станков.

Характеризуется степенью сложности изготовления деталей и сборки узлов, а также количеством оригинальных, унифицированных и стандартизованных деталей и узлов.

Технологичность станка зависит от количества, размеров, сложности формы и требуемой точности изготовления деталей станка.

10. Патентоспособность и патентная чистота.

Патентование производится с целью защиты приоритета на отдельные узлы станка или всей конструкции, предупреждения использования изобретений без согласия авторов. Для соблюдения условий патентной чистоты необходимо знать все изобретения в своей области и быть в курсе всех зарегистрированных иностранных изобретений.

§ Основные тенденции и перспективы развития станков и станочных комплексов

1. Повышение производительности и точности.

Применение композиционных материалов для режущих инструментов позволяет получить скорости резания до 2000 м/мин, с погрешностью обработки и шероховатостью поверхности измеряемыми в долях и сотых долях микрометра.

2. Создание гибких переналаживаемых комплексов и производств.

Использование ГПС, состоящих из набора станков, манипуляторов, средств контроля, объединённым общим управлением от ЭВМ, даёт возможность в многономенклатурном крупносерийном производстве, достичь наивысшей степени автоматизации, при условии быстрого переналаживания производства на выпуск другой номенклатуры деталей. Применение модулей возможно только при полной автоматизации всех вспомогательных операций за счет широкого использования манипуляторов и роботов.

Это относится к операциям, связанным со сменой заготовок, режущих инструментов, с операциями измерения заготовки, инструмента, с операциями дробления и удаления стружки из рабочей зоны станка.

3. Применение вычислительной техники для автоматизации производства.

Станки последних поколений органически соединили в себе технологическую машину, с УЭВМ на основе микропроцессора.

4. Унификация и нормализация.

§ Технологическая характеристика станков

Основными техническими характеристиками, определяющими производственные возможности станка, являются:

1) предельные числа оборотов шпинделя n_max и n_{min .}

2) промежуточные значения чисел оборотов шпинделя между n_max и n_min.

3) предельные подачи S_max и S_min.

4) промежуточные значения подач между S_max и S_min.

5) мощность электродвигателя.

6) габаритные размеры заготовки.

1. Скоростная характеристика

Её определяют числом оборотов шпинделя и значением подач рабочего исполнительного органа. Рассмотрим цепь главного движения. Предельные числа оборотов шпинделя определяют:

где V_max и V_min – предельные скорости резания (м/мин),

d_max и d_min – предельные диаметры обработки (или инструментов) (мм).

Предельные скорости резания выбираются на основе теории резания. При определении V_max принимают глубину резания и подачу наименьшими – чистовая обработка. При определении V_min принимают глубину резания и подачу наибольшими – черновая обработка.

Максимальный диаметр обработки d_max (или инструмента) по некоторым группам станков регламентируются соответствующими ГОСТами, а минимальный диаметр d_min принимают из соотношения d_max / d_min < 4 ¸ 8.