Проектирование Станков

Выполнить обоснование технической характеристики проектируемого металлорежущего станка это значит установить комплекс исходных данных, на основании которых ведется дальнейшее проектирование, определяются кинематические, геометрические, прочностные и динамические параметры. Проектируя обычные фрезерные станки, либо обрабатывающие центры с ЧПУ, определяются следующие исходные данные:

• диапазон регулирования подач;
• диапазон регулирования частоты вращения шпинделя привода главного движения;
• мощность электродвигателя привода главного движения;
• тяговое усилие для станков с поступательным перемещением стола или крутящий момент для станков с вращательным движением на каждом значении минутной подачи и мощность или крутящий момент двигателя привода подач;
• расчетная производительность проектируемого станка.

Обоснование технической характеристики проектируемого станка является начальным, а следовательно, и самым важным этапом технических расчетов, выполняемых при проектировании. Правильность и достоверность обоснования зависят от знания отечественного и зарубежного опыта, накопленного в области прогрессивной металлообработки, а также эксплуатационных условий, в которых работают аналогичные станки. Область использования станка при эксплуатации в значительной мере определяется требованиями, предъявляемыми к нему при проектировании, которые в свою очередь зависят от специализации станков.

Известно, что по степени специализации станки могут быть универсальными (широкого назначения), специальными и специализированными. Наиболее сложным является обоснование технической характеристики универсальных станков. Однако с методической точки зрения удобно рассматривать сначала вопросы, связанные с обоснованием характеристики специальных станков (см. Специальные и агрегатные фрезерные станки), которые решаются более просто, так как заранее известны тип производства и условия где они будут работать.

В современных станках, как правило, существуют две специальные гидравлические системы - смазка станков и система охлаждения станка. Система смазки должна обеспечивать надежную смазку всех основных трущихся сопряжений станка. Благодаря этому снижается износ механизмов, уменьшается шум станков при работе и возрастает его КПД. Охлаждение режущего инструмента и обрабатываемой заготовки значительно повышает стойкость инструмента и влияет на точность обработки, уменьшая тепловые деформации заготовки и узлов станка. Чем совершеннее системы смазки и охлаждения станка, тем длительнее он сохраняет свою точность и отклонения от геометрической формы деталей минимальны.

Фрезерный станок с ЧПУ проектируется на неопределенного потребителя. Данное оборудование должно обеспечивать возможность производительной обработки широкой номенклатуры деталей, а операции выполняемые на фрезерных станках должны иметь возможность выполняться инструментом различного типа и размера. При стремлении удовлетворить эти требования всегда существует опасность установления необоснованно широких диапазонов скоростей резания, минутных подач и других параметров, которые приводят к усложнению конструкции и большому весу станка, и, в конечном счете, снижают эффективность использования его в промышленности. В связи с этим при выборе каждого параметра технической характеристики проектируемого станка необходимо корректировать расчетные данные, при которых учитываются передовой отечественный и зарубежный опыт, компоновка фрезерного станка, а также результаты статистического обследования по использованию таких станков в различных отраслях промышленности.

Использование результатов статистических исследований позволяет судить о вероятности обработки различных материалов, применении разнообразных типов и размеров инструмента, а также различных режимов резания и принять решение о рациональном сокращении широких диапазонов некоторых расчетных параметров, сознательно исключив при этом те операции, которые имеют наименьшую вероятность применения.

Проектирование сложных агрегатов, какими являются современные металлорежущие станки, производится, как правило, на основе имеющихся прототипов или аналогичных конструктивных решений. При создании нового станка используются отработанные и всесторонне испытанные конструкции почти всех его основных узлов.

Конструирование станков начинают с подбора необходимых для выполнения проекта чертежей, технических описаний и других архивных материалов; просматривают техническую литературу и делают соответствующие заметки, изучают условия работы и характер эксплуатации других станков данного производства, проводят технические совещания по уточнению задания, выявлению особых требований и возможного конструктивного решения будущего станка.

Задание на проектирование станка должно определять его назначение, основные параметры и технико-экономические требования, характеризующие качество и возможности новой модели. Проектирование станка обычно осуществляют в виде разработки технического и рабочего проектов. Техническим проектом является предварительная конструктивная разработка станка, своего рода эскиз для предметного обсуждения и окончательного утверждения возможных вариантов новой конструкции. Рабочим проектом является разработка во всех деталях конструкции станка и оформление необходимой технической документации для подготовки и организации его изготовления.

По технической документации рабочего проекта для серийного производства изготовляют опытную партию, обычно 10 единиц, затем проводят испытания станков и предъявляют приемной комиссии. Последняя составляет акт приемки и дает заключение о возможности запуска принятой модели станка в серийное производство. После проведения испытаний производится исправление всей конструкторской документации с учетом изменений, выявленных в процессе изготовления и испытаний станка.

Технологичность конструкции характеризуется себестоимостью станка как суммарным показателем трудоемкости и металлоемкости конструкции; сроком оборачиваемости средств, связанным с длительностью производственного процесса изготовления станка; степенью унификации узлов станка и нормализацией его деталей. Вопросами технологичности конструкции необходимо заниматься на всех стадиях проектирования. При разработке детали той или иной формы следует представлять себе все стадии ее изменения, начиная с заготовки, учитывать возможности ее изготовления в серийном производстве, а также общие условия, характерные для будущего завода-изготовителя.

Когда проектируются неподвижные корпусные детали и подвижные корпусные детали, то большое значение имеет их форма, отвечающая современным требованиям. Поверхности этих деталей не должны подвергаться механической обработке, а только в основном декоративной отделке путем окраски. Последняя в соответствии с назначением детали не должна быть излишне пестрой, цвет окраски должен быть практичным. Помимо требований техники безопасности и гигиены труда, следует иметь в виду, что отношение обслуживающего персонала к станку (см. Техническое обслуживание обрабатывающих центров) в значительной степени определяется видом последнего.

Все наружные вращающиеся и другие подвижные части станка должны иметь форму, исключающую возможность захвата одежды или рук неопытного рабочего, иметь защитные ограждения, надежное заземление электросистем, экраны и щитки для улавливания отлетающей стружки, охлаждающей жидкости и т. д. Отвод и удаление стружки должны обеспечиваться соответствующим расположением узлов станка и, при необходимости, специальными устройствами, например таким, как стружкоуборочный конвейер.

Движения рукояток управления станком должны базироваться на мнемонических правилах, а аварийные устройства должны быть легко доступны и ярко окрашены. Взаимоисключающие переключения должны быть надежно сблокированы. Системы управления станком (особенно ручное управление) не должны утомлять рабочего, рукоятки управления должны находиться на высоте, предусмотренной соответствующими правилами, а усилие воздействия на них должно быть возможно минимальным. Большое внимание следует уделять плавности движения рабочих органов, исключающей возможность возникновения вибраций, ударов и повышенного шума. Тормозные устройства должны быть автоматического действия и надежны в работе.

В конструкции нового станка должны быть учтены также требования эксплуатационного характера: удобство подготовки станка к работе, легкость осуществления текущего осмотра и смазки, периодического осмотра ответственных узлов, удобство регулирования зазоров и т. п. Автоматические и полуавтоматические станки должны встраиваться в автоматические линии обработки деталей, даже если первоначально они для этого не предназначались.

Проектирование металлорежущего станка начинается с разработки его принципиальной схемы, которая должна определить принимаемый метод обработки, возможность обработки с одной установки и ее последовательность, а также необходимость и возможность применения многоинструментной обработки. При этом уточняются данные для проектирования на основе анализа отдельных переходов технологического процесса обработки на проектируемом станке, с учетом формы заготовки, способов ее подачи на рабочее место и закрепления, конструкции режущего инструмента, допустимых максимальных режимов резания и т. д.

На первом этапе проектирования станка должны быть:

• выбран оптимальный вариант технологического процесса обработки;
• составлена принципиальная схема станка с учетом принятого варианта технологического процесса;
• определены формы и предельные размеры заготовки или полуфабриката;
• определены физико-технические характеристики обрабатываемых поверхностей;
• выбраны рациональные интервалы режимов резания;
• установлен характер производства, в котором предполагается основная работа станка;
• определены возможное число одновременно или последовательно работающих инструментов, примерная их конструкция, частота смены и необходимость автоматизации его перестановки или смены;
• установлены экономически обоснованные показатели производительности обработки.

В пояснительной записке этой части проекта должно быть технико-экономическое обоснование необходимости создания нового станка. Целесообразность разработки новой модели станка обычно подтверждается технико-экономическим расчетом.

Основными показателями эффективности проектируемого станка должны являться:

• себестоимость изготовления новой модели;
• применение механизации и автоматизации при обслуживании и облегчение условий и безопасности труда;
• повышение производительности труда и качества продукции;
• снижение себестоимости на эксплуатационные расходы при изготовлении продукции.

Таким образом, целесообразность создания нового станка обосновывается расчетом себестоимости и планируемой оптовой ценой проектируемого станка; расчетом производительности нового станка и себестоимости обработки деталей-представителей на этом станке; расчетом экономического эффекта от внедрения нового станка (см. Экономическая эффективность фрезерных станков с ЧПУ) и срока окупаемости дополнительных капитальных вложений.

Основным показателем экономичности станков является себестоимость. Этот показатель отражает в денежном выражении затраты живого и овеществленного труда на изготовление данного типа станка и последующую его эксплуатацию. Наиболее существенным экономическим показателем работы станка является штучная себестоимость изделия, определяемая по формуле

С = М + Пз + H,

где М, Пз - стоимость металла и прямая зарплата, отнесенные к одному изделию; Н - накладные расходы, связанные с эксплуатацией станков.

В качестве основного технико-экономического критерия выбора наиболее эффективного метода обработки и наиболее эффективного станка принята наименьшая себестоимость изготовления детали требуемого качества.

Область применения станков с ЧПУ постоянно расширяется, особенно при автоматизации процессов изготовления машиностроительных деталей в условиях мелкосерийного производства. По сравнению с универсальными станками станки с ЧПУ имеют ряд существенных преимуществ (см. Преимущества фрезерных станков с ЧПУ) благодаря простоте их переналадки и затрате на это значительно меньшего времени; сокращению потребности квалифицированной рабочей силе и осуществлению более широкого многостаночного обслуживания; существенному сокращению вспомогательного времени и уменьшению брака по вине рабочего. Однако стоимость станков с ЧПУ значительно превышает стоимость универсальных станков, кроме того, необходимы дополнительные затраты на подготовку управляющих программ, на настройку инструмента вне станка, на специальное оборудование, связанное с работой программистов и др.

Поэтому применение станков с ЧПУ должно быть обосновано соответствующим технико-экономическим анализом как на стадии проектирования станков, так и при переводе механической обработки деталей на станки с ЧПУ.

Решение о целесообразности создания и внедрения станка с ЧПУ принимается на основе расчета годового экономического эффекта. Определение последнего основывается на сопоставлении приведенных затрат по базовому и новому станкам.

Приведенные затраты представляют собой сумму себестоимости и нормативной прибыли:

З = С + ЕнК,

где З - приведенные затраты единицы продукции; С - себестоимость единицы продукции; К - удельные капитальные вложения в производственные фонды; Ен - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений, равный 0,15.

Расчет годового экономического эффекта от применения станков с ЧПУ производится по формуле:

Э = (З₁ + З₂) А₂

где З₁, З₂- приведенные затраты единицы продукции, изготовленной с помощью базового и нового станка; А₂- годовой объем производства продукции с помощью нового станка в расчетном году.

Новые станки должны проектироваться по принципу конструктивной преемственности, в виде нормального ряда типоразмеров. Оптимальный размерный ряд станков имеет большое значение. Согласно ГОСТ 803279 основные параметры изделий (станков) - производительность, мощность. грузоподъемность, частота вращения шпинделя и др. должны изменяться по закону геометрической прогрессии с одним из стандартных значений знаменателя φ. Ряды таких станков более целесообразны, чем случайно созданные группы станков.

Размерная характеристика фрезерных станков регламентирована ГОСТ 165-72. Основной параметр стандартизации рабочая поверхность стола (100x400; 125x500; 160x630 мм и т. д.). Для токарных станков (ГОСТ 440-71) основным параметром является наибольший диаметр обрабатываемой детали над станиной (100; 125; 160; 200 мм и т. д.).

Проектированию станка предшествует предварительная, так называемая предпроектная проработка, которая завершается составлением технического задания на проектирование отдельного станка или комплекта станочного оборудования. Техническое задание содержит сведения о назначении станка, т. е. о том множестве деталей, которое должно быть обработано на станке с требуемой точностью по размерам, форме и взаимному расположению поверхностей.

В техническом задании необходимо обосновать целесообразность проектирования нового станочного оборудования на основе анализа и сопоставления его с уже существующими станками для решения той же или аналогичных производственных задач. Техническое задание должно содержать также изучение патентных источников и тщательное экономическое обоснование предполагаемой эффективности вновь создаваемого оборудования по критерию приведенных затрат и производительности. В техническом задании регламентируют значения основных технико-экономических показателей, которым должен обладать проектируемый станок или весь комплект станочного оборудования.

Техническое предложение (рис. 1) является первым этапом проектирования станочного оборудования. На базе исходных данных предпроектной проработки в техническом предложении обосновывают и уточняют технические характеристики: диапазоны скоростей главного привода, привода подач и вспомогательных перемещений. Выбирают двигатели для всех кинематических цепей и обосновывают рациональную мощность приводных двигателей. Дополнительно прорабатывают патентные источники и уточняют ожидаемую экономическую эффективность создаваемого станочного оборудования. На этапе технического предложения синтезируются варианты принципиальных схем станка и возможные компоновки как самого станка, так и всего комплекта станочного оборудования. Проводят оптимизацию компоновочных решений, определяя оптимальные компоновки металлообрабатывающих станков.

Рис. 1. Этапы проектирования станка

Эскизный проект является развитием технического предложения и содержит предварительную конструктивную разработку всех основных узлов. Принятие решений обосновывают расчетами, оптимизацией важнейших параметров с учетом технологичности конструкции и достижимой степени унификации.

Технический проект включает окончательную конструктивную проработку всех схем станка, его общие виды и все узловые чертежи с указанием технических условий на изготовление и сборку. На этом этапе осуществляют все виды уточненных расчетов и окончательно определяют эффективность станка или набора станочного оборудования.

Разработка рабочей документации является завершающим этапом проектирования. На основе технического проекта оформляют рабочие чертежи на все оригинальные детали станка с простановкой размеров и техническими условиями на изготовление. Составляют перечень комплектующих изделий (покупных) деталей и спецификацию оригинальных деталей.

Разделение процесса проектирования на последовательные этапы является в известной мере условным, поскольку по ходу проектирования целесообразно пересматривать и уточнять ранее принятые решения. Например, при конструировании одного из важнейших узлов станка может выясниться необходимость изменения общей компоновки станка или внесения изменений в его кинематическую схему. Появление новых, прогрессивных комплектующих изделий (шпиндельных опор, направляющих устройств управления, средств контроля и измерения) также влияет на окончательное оформление конструкции отдельных узлов, а иногда и всего станка.

Существенное влияние на процесс проектирования станочного оборудования оказывают средства вычислительной техники, получая на выходе автоматизированное проектирование станков. Особенно эффективно использование вычислительной техники для сбора и обработки исходной информации, выполнения сложных, трудоемких расчетов и для окончательного оформления чертежей и другой рабочей документации. Примерная схема взаимодействия конструктора и средств вычислительной техники приведена на рис. 2.

Рис. 2. Схема взаимодействия конструктора и главного компьютера

Применение агрегатно-модульного принципа, когда различные по назначению конструкторскому оформлению станки компонуются из общего набора узлов (модулей), дает возможность формализовать весь процесс проектирования и в значительной мере его автоматизировать (рис. 3).

Рис. 3. Варианты компоновок многооперационных станков из унифицированных модулей

При проектировании любого комплекта станочного оборудования основной целью является обработка заданного множества деталей с минимальными затратами на основе принятой технологии. Множество деталей, подлежащих обработке, характеризуется общим годовым выпуском, номенклатурой, ритмичностью выпуска, т. е. числом переналадок в течение года.

При конструировании новых станков, которые будут входить в состав различных комплектов станочного оборудования, следует стремиться к повышению их производительности, так как при этом можно сократить число станков в наборе и, соответственно, уменьшить стоимость комплекта оборудования. С уменьшением числа станков повышается и надежность всей системы.

С повышением степени автоматизации станочного оборудования сокращаются текущие затраты на обслуживание, и в сумме приведенных затрат наибольшая доля приходится на стоимость самих станков. Современные автоматические линии и гибкие производственные системы имеют стоимость оборудования, отнесенную к одному году эксплуатации, составляющую 60-80% всех приведенных затрат, а иногда и более. Поэтому при сопоставлении проектных вариантов станочного оборудования следует прежде всего обращать внимание на их сравнительную стоимость. Например, при выборе целесообразного набора оборудования для гибкой производственной системы следует иметь в виду зависимость суммы приведенных затрат от вида станочного оборудования и номенклатуры деталей (рис. 4). Помимо целевой функции, при проектировании комплекта станочного оборудования или при конструировании новых станков необходимо выполнять проектные ограничения.

Рис. 4. Выбор рациональной гибкости станочного оборудования: 1 - агрегатный станок; 2 - переналаживаемый агрегатный станок; 3 - многооперационный станок; 4 - станок с ЧПУ; 5 - станок с ручным управлением

Проектные ограничения могут быть связаны с функциональными требованиями, с характером производства, на котором будут изготавливать станки, и с условиями эксплуатации на том производстве, где станки будут работать.

К важнейшим функциональным проектным ограничениям относят требования к точности обработанных на станке готовых изделий. Имеются в виду требования к точности размеров, правильности формы отдельных поверхностей и их шероховатости, а также к точности взаимного расположения обработанных поверхностей. Требования к точности обработки обусловливают соответствующие проектные ограничения на допустимые геометрические, кинематические, упругие, динамические, температурные погрешности всей системы станка и его отдельных частей.

Особенности того станкостроительного производства, на котором будут изготовлять станочное оборудование, накладывают проектные ограничения на технологичность изготовления и сборки. Возможности производства ограничивают допустимый и целесообразный набор технологических операций, обработки, режущего и измерительного инструмента, оснастки, технологии сборки.

На технологичность изготовления станка большое влияние оказывает унификация, которая связана с насыщением конструкции стандартными и унифицированными деталями и сборочными единицами. Стандартные детали или узлы станка должны соответствовать государственным, республиканским или отраслевым стандартам. К унифицированным частям станка относят изготавливаемые по стандартам данного предприятия и используемые в нескольких разных моделях, а также различные комплектующие изделия (за исключением крепежных и арматуры). Важные проектные ограничения могут быть связаны с условиями эксплуатации станочного оборудования. Проектные ограничения на гарантированный срок сохранения точности и на требуемую долговечность учитываются при конструировании станка и отдельных его узлов. К условиям эксплуатации относят требование учета взаимодействия станка с транспортом, манипуляторами и некоторыми другими вспомогательными устройствами. Ограничения накладывают иногда требования транспортирования, характер производственной площади.

Важными являются ограничения, связанные с эргономикой. Например, со всей тщательностью должны быть решены вопросы удаления абразивной пыли, мелкой стружки, смазочно-охлаждающей жидкости и ее регенерации. Для станков с ручным управлением и обслуживанием особого внимания заслуживает внешнее оформление станка, удобство и безопасность его обслуживания. К проектным ограничениям относят патентно-правовые вопросы, которые требуют подробного обзора на начальных этапах проектирования и полной патентной чистоты вновь создаваемой конструкции.