Семидесятые годы прошлого столетия явились годами увеличения производства металлорежущих станков (МРС) с ЧПУ во всем мире. Вопросы автоматизации машиностроения на базе станков с ЧПУ стали важнейшими и, естественно, многие заводы приняли самое активное участие в работах по внедрению нового вида оборудования на производстве. Широкое внедрение на заводах металлообрабатывающих станков с ЧПУ явилось причиной резкого роста потребности в системах ЧПУ с широкими технологическими возможностями, в специфических видах комплектующих изделий, вспомогательном и режущем инструменте, в различных исполнениях приспособлений и т.д. Для обработки сложных деталей стали использоваться обрабатывающие центры - станки с ЧПУ с устройствами автоматической смены инструмента и заготовки, в нашей стране получившие название многоцелевых станков с ЧПУ.
В связи с переоснащением производства, перед высшими техническими учебными заведениями возникает проблема повышения качества подготовки специалистов, соответствующих требованиям времени, характеризующегося высокими темпами научно-технического прогресса, появлением принципиально новых прогрессивных технологий.
Важнейшей задачей новой системы образования является поиск того ключевого звена, через который можно инициировать позитивные процессы всей системы обучения. По мнению многих, таким звеном является профессиональное образование, благодаря которому обучающийся человек может получить устойчивое профессиональное и социальное положение в обществе.
В 2008 году на базе Московского государственного индустриального университета был создан «Межвузовский ресурсный центр», в станочном парке которого собраны современные обрабатывающие центры и станки с ЧПУ различных технологических групп. Основная цель центра состоит в подготовке инженеров, владеющих как профессиональными знаниям, так и современными информационными технологиями.
В обучающем процессе рассматривается весь путь производства продукции – от чертежа до изготовления готовой детали. Студенты получают все необходимые навыки геометрического и математического моделирования, промышленного дизайна, составления управляющих программ и непосредственной работе на станках с ЧПУ.
В новой концепции преподавания инженерных дисциплин можно выделить три основных этапа. Первый этап - обучение геометрическому твердотельному моделированию. Геометрическая модель деталей разрабатывается с помощью модуля Pro/Modeling системы Pro/ENGINEER.
Второй этап включает в себя разработку траекторий движения инструмента и расчет режимов резания с учетом материалов и геометрических характеристик изготавливаемой детали. Для разработки траекторий фрезерной обработки применяется модуль Pro/NC системы CAD/CAM Pro/ENGINEER. Для токарной и электроэрозионной обработки используются соответствующие модули с набором стандартных переходов последовательности ЧПУ. После создания траекторий обработки формируются файлы управляющих программ. Здесь используются постпроцессоры для каждого типа станков, созданные в системе Pro/ENGINEER с помощью модуля Pro/NC-GPOST. Это обеспечивает автоматический расчет значений линейных и поворотных координат станка для каждого текущего положения инструмента.
На третьем этапе рассматриваются вопросы контроля и визуализации полученной программы непосредственно на станке, а также проводится проверка соответствия заданному чертежу формы и размеров полученной детали.
Практический курс включает в себя получение навыков работы на обычных станках и обрабатывающих центрах разных технологических групп.
Особое внимание в учебном процессе уделяется изучению конструктивных и технологических особенностей металлообрабатывающего оборудования с ЧПУ, инструментальной и технологической оснастке, ручному программированию без знания которых невозможно высококвалифицированное обслуживание станков с ЧПУ.
Обрабатывающие центры с ЧПУ явились дальнейшим развитием сверлильных, фрезерных, расточных и токарных станков. По содержанию и составу выполняемых операций обрабатывающие центры от станков универсального типа практически не отличались. И если на современных обрабатывающих центрах с ЧПУ происходил процесс интеграции за счет включения новых операций, то это не означало, что эти операции невозможно было бы выполнять на станках, предшествовавших обрабатывающим центрам. Поэтому важно определить принципиальные отличия этих станков от своих предшественников.
Обрабатывающий центр с ЧПУ освободил рабочего как от силовых, так и от большинства логических функций. В этом отношении он не просто автоматизированный вариант своих предшественников, а качественно новый станок, позволяющий организовать малолюдную технологию обработки заготовок. Автоматизация этих функций предопределила и качественно новые технологические возможности обрабатывающих центров. Появилась возможность производить сложную контурную обработку деталей и преобразовывать практически неограниченный объем информации об обработке заготовки в рабочий процесс без участия человека. Эти новые возможности и определили принципиальное отличие обрабатывающих центров от традиционных станков универсальных, что позволило наметить дальнейшие пути их развития с учетом передачи функций рабочего не только машине, но и системе ЧПУ. В этом и скрыт смысл новых направлений и тенденций в развитии станкостроения с идеологической точки зрения.
С технологической точки зрения, многоцелевая обработка определяет способность выполнять различные операции механической обработки при одном закреплении заготовки на станке. В сочетании с современными методами программирования обрабатывающие центры с ЧПУ позволяют выполнять технологические задачи, которые раньше выполнялись на уникальных (специальных) станках или на нескольких единицах оборудования. Возможность использования при обработке пяти-шести и более управляемых координат и наличие инструментального накопителя позволяет выполнять широкий диапазон операций - от механической операции резания до операций шлифования и даже некоторых термических операций.
Многоцелевая обработка характеризуется способностью выполнять различные операции механической обработки на одном станке в его рабочем пространстве, с одной установки заготовки. Другими словами, с технологической точки зрения, возможности токарного, фрезерного, сверлильного и расточного станков и обрабатывающего центра с ЧПУ практически равны.
Обрабатывающие центры предназначены для обработки широкой номенклатуры фасонных деталей со сложными сочетаниями геометрических поверхностей. К таким деталям можно отнести, например, кулачковые и коленчатые валы, корпусные детали и лопатки, штампы и пресс-формы и т.п. Обрабатывающие центры применяются в условия серийного и единичного производства. Эти станки могут также использоваться при разработке технологии изготовления опытной партии деталей.
Широкие технологические возможности станков обеспечиваются многими конструктивными особенностями узлов станка и оснасткой. Поскольку основной шпиндель станка участвует при реализации резания различных принципов механической обработки, то к нему предъявляются высокие требования по жесткости, диапазону бесступенчатого регулирования частоты вращения и тепловым деформациям. Перечисленные требования обеспечиваются за счет специальных опор качения, введения элементов симметрии в конструкции станка с целью оптимального распределения потоков тепла и т.п. В станках широко используются револьверные головки, количество которых, в зависимости от габаритов станка, могут быть более двух. Использование при резании задней бабки токарного станка и синхронного шпинделя заметно увеличивает производительность станка, сохраняя при этом высокое качество обработанных деталей.
Производительность на станках типа обрабатывающий центр достигается за счет оптимальных траектории движения и положения инструмента относительно заготовки. Минимальное количество инструментов достигается путем применения одного инструмента для обработки нескольких различных поверхностей. Особенно важно уметь исключать применение специального инструмента с большим вылетом за счет правильной ориентации стандартного инструмента с коротким вылетом.
Большое значение при работе на обрабатывающем центре имеет инструмент, к которому предъявляются следующие требования:
- для обеспечения широкой области применения станков необходимо, чтобы инструмент обладал универсальностью, т.е. способностью к выполнению нескольких операций без смены инструмента;
- конструкция инструмента должна обеспечивать работу на станке без вибраций и, по возможности, без перегрузок;
- специализированный инструмент можно использовать только в случаях острой необходимости при изготовлении значимых конкретных заказов.
Как правило, инструменты настраиваются вне станка на специальных типовых приспособлениях. Геометрия режущих кромок, которая ещё не привязана к станку, называется геометрией предварительной настройки.
Система управления инструмента трансформирует геометрию предварительной настройки и передает в рабочую память системы информацию, что инструмент установлен в крепежное устройство (при необходимости через адаптер).
УЧПУ, используемые на обрабатывающих центрах с ЧПУ, предназначены для работы в цехах в системах контурных управлений, с помощью которых программируются обычные виды обработки фрезерованием и сверлением в диалоговом режиме непосредственно на станке. Как правило, в системах предусматриваются возможности дополнительной настройки станка в программе углового положения шпинделя.
На интегрированном жестком диске УЧПУ можно сохранять управляющие программы (УП), файлы таблиц инструментов, настройки оборудования и программного обеспечения. Программное обеспечение УЧПУ обладает доступным в усвоении интерфейсом. Клавиатура и клавиши управления электроавтоматикой оформлены в понятной конфигурации с таким расчетом, чтобы можно было быстро и простым способом пользоваться всеми функциями системы.
Типовые схемы обработки контуров, отверстий, пазов и т.д. сохранены в УЧПУ в виде циклов. Также пересчёты координат и некоторые специальные функции находятся в распоряжении как циклы.
Каждая группа циклов включает в себя несколько видов обработки. Например, циклы для сверления, нарезания внутренней резьбы и фрезерования резьбы имеет в общем 19 подциклов для разнообразных видов обработки отверстий. Каждый вид обработки имеет свой цифровой код.
Для находящегося в «Ресурсном центре» оборудования, возможно создание УП в двух форматах – кодах Heidenhain (программа имеет расширение *.h) и кодах ISO-7bit (расширение *.i).
Формат Heidenhain подразумевает описание движений инструмента с использованием геометрических примитивов (точек, прямых, окружностей и т.д.). Формат ISO-7bit использует G-функции (основные) и M-функции (вспомогательные).
Опционально в УЧПУ подключается функция создания УП по DXF-контурам. В этом режиме на ЧПУ открывается графический файл, созданный в любой CAD -системе. Управляющая программа формируется автоматически при указании набора геометрических элементов из которых состоит контур обрабатываемой детали и начальной точки обработки.
Разнообразие парка станочного оборудования «Ресурсного центра», представляющего токарную, фрезерную, электроэрозионную обработки, измерительная техника, наличие средств автоматизации, современное программное обеспечение, квалифицированный преподавательский состав - все это дает возможность студентам, прошедшим обучение стать высококвалифицированными, конкурентоспособными специалистами широкого профиля и приобрести навыки работы на станках с ЧПУ. Постоянный творческий контакт с предприятиями работодателей помогает учитывать их специфические требования при воспитании компетентных инженерных кадров.
Актуальность и научная значимость работы состоит в том, что в настоящее время потребительский спрос на рынке труда растет в части приобретения высококвалифицированных специалистов, способных управлять и обслуживать инновационную микропроцессорную технику. Доля закупаемого зарубежного оборудования (особенно на предприятиях оборонного комплекса) постоянно растет и поэтому требования этих предприятий заключается в том, чтобы операторов готовили непосредственно на станках, а не на учебных стендах.
Научная значимость работы заключается в выработке принципа технологической совместимости станков с ЧПУ, поскольку из-за большого разнообразия выпущенных станков и тех, которые подготовлены к выпуску, быстрая и качественная подготовка специалистов крайне затруднена. Поэтому предметная область работы распространяется не только на станкостроение, а скорее на все машиностроение, в том числе, на оборонный комплекс.
Работа по подготовке операторов обрабатывающих центров с ЧПУ, по мнению автора, должна состоять из нескольких этапов. На первом этапе необходимо решить главную задачу - определение технологической общности станков с ЧПУ различных технологических групп из того многообразия моделей станков, который был выпущен на рынок за последние годы. На втором этапе необходимо выработать систему методических пособий и рабочих программ по дисциплинам, отражающим различные особенности металлорежущих станков с ЧПУ. Третий этап должен быть полностью посвящен разработке полного комплекта методических материалов в образовательном процессе государственного образовательного учреждения.
Преимущества и перспективы развития обрабатывающих центров с ЧПУ
Высокая степень интенсивности использования структуры компоновок является одним из технико-экономических достоинств обрабатывающих центров, отвечающих общей тенденции интенсификации оборудования и процессов машиностроения. Интенсификация структуры компоновок предоставляет возможность сокращения типажа универсальных станков за счет станков, предназначенных только для одного вида режущего инструмента, особенно тяжелых станков, некоторые из которых вследствие ограниченности выполняемых ими операций используют недостаточно. В связи с этим возможна экономия металла и производственных площадей.
Другими технико-экономическими достоинствами обрабатывающих центров являются:
- Возможность автоматического выполнения комплекса разнообразных операций на одном станке за одну установку заготовки, что имеет особое значение для автоматизации мелкосерийного производства.
Преимущества автоматического программного управления, не реализуемые при раздельном выполнении простых операций фрезерования, сверления, растачивания и т. п., наиболее полно используют при соединении простых операций в одну сложную интегральную программу обработки. - Значительное повышение производительности, достигаемое главным образом за счет сокращения вспомогательного времени, при этом, чем сложнее общая программа обработки всеми инструментами, тем значительнее экономия времени. Доля основного времени обработки повышается с 30-40% (на обычных станках) до 65-70%.
Благодаря этому, а также за счет рационального использования инструментов и применения оптимальных режимов резания, назначаемых при программировании, один обрабатывающий центр с ЧПУ заменяет несколько обычных универсальных станков, в том числе и станков с ЧПУ. - Повышение точности обработки благодаря сокращению числа перебазирований детали и выполнению ряда сопряженных операций по одному программоносителю. Исключение межоперационного контроля обработки.
- Значительное улучшение организации труда в связи с заблаговременной подготовкой и содержанием всех необходимых режущих инструментов непосредственно на станке. Проведение осмотра и замены изношенных инструментов в магазинах без остановки станка.
- Сокращение операций транспортирования детали со станка на станок, связанное обычно с ожиданием крана и другими внецикловыми потерями времени.
- Существенная экономия на приспособлениях для установки и закрепления заготовок как за счет сокращения числа приспособлений, так и за счет их упрощения.
- Сокращение времени освоения обработки новых деталей, главным образом за счет уменьшения времени на изготовление технологической оснастки (приспособлений, кондукторов, копиров и т. д.). Это обстоятельство очень важно для предприятий с мобильным характером производства.
- Сокращение производственного цикла и межоперационных запасов деталей.
- Общее сокращение цехового оборудования и экономия производственной площади.
- Упрощение планирования и повышение культуры производства.
Анализ экономической эффективности внедрения обрабатывающих центров в большинстве случаев показывает рентабельность этих станков в мелкосерийном производстве, несмотря на их высокую стоимость. Наибольший экономический эффект достигается при обработке сложных и точных деталей, когда обрабатывающие центры с ЧПУ заменяют собой станки повышенной точности и стоимости.
Как показали исследования, эффективность внедрения обрабатывающих центров не требует расчетных доказательств, если в общем балансе времени заменяемых операций на станки высокой точности и стоимости приходится более 85%. Эффективность горизонтальных обрабатывающих центров выше, чем вертикальных, себестоимость обработки на них снижается более чем в 2 раза, а дополнительные капиталовложения окупаются в течение 3-4 лет. В некоторых случаях сроки окупаемости более продолжительны. Это можно объяснить рядом причин, например отсутствием в расчетах данных учета косвенных статей экономии, которые, как следует из перечня достоинств обрабатывающих центров, весьма существенны.
Технико-экономические достоинства обрабатывающих центров указывают на их непреходящее значение и перспективность. Дальнейшее развитие станков этого типа можно ожидать по следующим направлениям.
- Распространение принципа изготовления станков для типовых сочетаний операций обработки на все универсальные станки, в первую очередь - тяжелые, с тем чтобы в перспективе станки изготовляли не для использования тех или иных видов инструмента, а для определенных классов и групп обрабатываемых деталей.
- Расширение технологических возможностей обрабатывающих центров путем включения новых видов операций обработки, а также сборки, оснащения их специальными инструментами и устройствами.
- Агрегатирование компоновок и создание унифицированных гамм станков этого типа, позволяющих строить большое число различных моделей для наиболее полного удовлетворения требований заказчиков. Наряду с этим развивается агрегатирование обрабатывающих центров в форме изготовления агрегатных силовых головок с автоматической сменой инструментов.
- Создание специализированных комплексов из обрабатывающих центров и однооперационных станков с ЧПУ для полной обработки групп деталей с максимальным приближением к условиям производства завода-заказчика. Включение обрабатывающих центров в «гибкие» автоматические линии, автоматизированные участки, «технологические системы» и «интегральные системы» для деталей серийного и мелкосерийного производства.
- Перспективность обрабатывающих центров подтверждается развитием их изготовления как за рубежом, так и в России.
