Совершенствование станков с числовым программным управлением, систем ЧПУ и относящихся к ним программ шло в направлении мелкосерийного производства. Можно с уверенностью сказать, что сейчас завершается наиболее интенсивный этап, который можно назвать - развитие станков с ЧПУ для мелкосерийного производства, в особенности это касается их компоновки, и, судя по всему, в самом ближайшем будущем следует ожидать изменений и улучшений в конструкциях станков. Очевидно, более сенсационные новшества появятся в результате изучения вопросов того, как должны меняться конструкции станков при производстве, а также, что необходимо для их объединения в участки и системы для непосредственного управления от центрального компьютера в так называемом режиме on line» (напрямую). Одни системы предназначены для решения проблем, которые будут в дальнейшем выдвинуты мелкосерийным производством; другие - позволят внедрить станки с ЧПУ в промышленность, производящую детали партиями средних размеров.
Обрабатывающие центры в мелкосерийном производстве
В мелкосерийном производстве с использованием числового программного управления возрастает спрос на многооперационные станки с ЧПУ. Это отдельные станки, которые могут автоматически и без перестановки заготовки производить большое число различных операций при обработке разнообразных деталей. Сейчас становится совершенно очевидным, что большую часть станков с ЧПУ для мелкосерийного производства, которые будут проданы в ближайшие годы, составят именно многооперационные станки (обрабатывающие центры). Числовое управление по двум причинам обеспечивает идеальную основу для осуществления принципов, заложенных в самом названии этих станков. Во-первых, потому что в системе управления можно запрограммировать выполнение почти неограниченного числа самых разнообразных операций. Во-вторых, для осуществления новой и совершенно непохожей на другие операции достаточно подготовить управляющую программу и обеспечить станок соответствующими режущими инструментами. Принято считать, что в наибольшей степени понятию обрабатывающие центры с ЧПУ соответствуют станки, имеющие в своей компоновке устройство автоматической смены инструмента и магазин.
На фрезерных и сверлильных станках инструмент устанавливают и закрепляют в рабочем шпинделе. Если ось шпинделя расположена горизонтально, то должен быть подход инструмента к детали со всех четырех сторон. Для этого обрабатываемая деталь устанавливается на индексирующемся (поворотном) столе и, при необходимости, может автоматически сниматься и ставиться на стол вместе со спутником, работающим в челночном режиме.
На современном этапе развития производства обрабатывающих центров для фрезерных и сверлильных работ имеется большое разнообразие конструктивных решений как в отношении общей компоновки станков, так и в конструкциях отдельных узлов, в особенности в устройствах автоматической смены инструмента. Эти конструктивные решения в дальнейшем окажут решающее влияние на будущие поколения станков этого типа. Сегодняшние станки являются «потомками» горизонтально-расточных, фрезерных или сверлильных станков и это позволяет их легко, хотя и грубо классифицировать на: обрабатывающие центры на базе расточных станков и обрабатывающие центры на базе сверлильных станков.
Производство обрабатывающих центров сегодня
В настоящее время производство обрабатывающих центров является необходимым направлением развития станкостроительной отрасли. Они с успехом используются металлообрабатывающими компаниями с различными объемами и номенклатурой выпускаемой продукции.
В развитых промышленных странах объем продукции металлообработки составляет около 30 % общего производства продукции. Следовательно, успех развития того или иного производства в значительной степени зависит от эффективного использования металлорежущих станков. В то же время анализ времени нахождения заготовки в цехе в условиях, например, мелкосерийного производства показывает, что 5% времени она находится на станке, и только 1,5 % этого времени уходит на съем металла. Если учесть, что 70 % всего количества деталей изготавливают в условиях единичного и серийного производства партиями до 50 шт., то очевидно, что проблема автоматизации этих производств является основной задачей развития машиностроения в целом.
Под производственной системой в механообработке понимают совокупность процессов и средств, необходимых для изготовления из сырья деталей заданной геометрической формы. Выбор экономически обоснованных производственных систем в различных условиях производства имеет большое значение. Эта задача существенно осложняется, если принять во внимание, что растущий ассортимент изделий и уменьшение серийности придают производству, несмотря на высокий годовой количественный выпуск продукции, характер единичного и мелкосерийного, и в ближайшие 20 лет номенклатура изделий почти удвоится. Причина роста номенклатуры изделий объясняется сокращением периода обновления изделия с целью поддержания его высокого технического уровня.
Для крупносерийного и массового производств, организация которых долгое время основывалась на принципах использования автоматических линий с жесткими транспортными связями, также наметилась тенденция к сокращению периода модернизации изготовляемых машин.
Все это требует срочного решения нетрадиционных технических и организационных задач, что позволит сократить время запуска изделия в производство, уменьшить затраты на переналадку оборудования и обеспечить выпуск необходимой продукции по возможности быстрее. Поэтому техническая политика развития машиностроения направлена на широкую механизацию и автоматизацию производства.
Основной характеристикой любой системы является структура, определяемая составом элементов системы и связями между ними. Применительно к производственным системам структура определяется наличием и видом связей подсистемы транспортирования изделий и инструмента с другими подсистемами. с точки зрения структуры производственные системы могут быть нескольких типов.
Производственными системами первого типа являются элементарные производственные ячейки, состоящие из автономно работающих станков с ЧПУ, оснащенных устройствами автоматической смены Инструмента (АСИ) и заготовок (AC3). Область применения таких систем определяется условиями единичного и мелкосерийного производства, характеризующихся неограниченной номенклатурой обрабатываемых деталей и малым числом деталей в партии (до 10 шт.) с годовым выпуском деталей одного наименования, не превышающим в большинстве случаев 1000 шт. Время обработки деталей находится в пределах 60-420 мин.
Производственные системы второго типа представляют собой совокупность систем первого типа. Станки в системах второго типа связаны между собой различными конвейерами, тележками и другими транспортными устройствами. Подобные системы эффективны в условиях мелко- и среднесерийного производства, где номенклатура деталей не превышает 50 наименований, количество деталей в партии находится в пределах 20-50 шт., общий годовой выпуск 3000-9000 шт., продолжительность цикла обработки деталей не более 60 мин.
Третий тип производственных систем содержит группу автоматизированных станков, обеспечивающих обработку заготовок в условиях средне- и крупносерийного производства ограниченной номенклатуры, геометрически и технологически Подобных. Высокая производительность обработки заготовок в таких системах обеспечивается сочетанием специальных станков со сменными многошпиндельными коробками и станков с ЧПУ. Важным преимуществом здесь является также сокращение временных затрат на загрузку-разгрузку станков. Она сводится к автоматической смене приспособлений-спутников, время которой обычно не превышает 1-2 мин.
Высшей степенью автоматизации производственных систем являются системы четвертого типа - заводы-автоматы.
Основу вышеперечисленных производственных систем составляют качественно новые металлорежущие станки с ЧПУ. Возможности систем ЧПУ резко изменили традиционную конструкцию станка 60-х годов. Появились устройства автоматической смены инструмента и автоматической смены заготовок, различные виды обработки стали осуществляться при минимальном числе установок заготовки, возросли требования к точности, жесткости, надежности станков с ЧПУ. Возможность встраивания станков в автоматизированные системы также значительно повлияла на изменение компоновки станка и его характеристики. Эти положительные изменения в станках достигнуты не простыми средствами. Станки стали значительно сложнее при проектировании, изготовлении и в эксплуатации, потребовали организации соответствующих служб обслуживания.
Для обработки сложных корпусных деталей применяют сверлильно-фрезерно-расточные станки с ЧПУ с устройствами автоматической смены инструмента и автоматической смены заготовок, получившими название обрабатывающие центры с ЧПУ.
Естественно, что производство обрабатывающих центров является дальнейшим развитием сверлильных, фрезерных и расточных станков. По содержанию и составу выполняемых операций он практически от них не отличается; и если на современных обрабатывающих центрах происходит процесс интеграции операций за счет включения новых, то это не означает, что эти операции невозможно было бы выполнять на станках, предшествующих им. Поэтому важно определить принципиальные отличия обрабатывающего центра.
На универсальных станках с ручным управлением рабочий выполняет две основные функции: силовую (энергетическую) и логическую (интеллектуальную). Силовые функции включают транспортную (смена и переориентации заготовок и инструмента), формообразующую (перемещение инструмента относительно заготовки при резании) и вспомогательную (перемещение инструмента к заготовке, наладочные перемещения, контрольно-измерительные работы и т.п.). Логические функции обеспечивают выполнение силовых функций и включают проектирование технологического процесса на рабочем месте, а также контроль и наблюдение за ходом его выполнения.
Компании-производители обрабатывающих центров нацелены на освобождение рабочего как от силовых, так и от большинства логических функций. В этом отношении обрабатывающий центр 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 этих станков, в том числе сложную контурную обработку детали без копиров и, главным образом, преобразование практически неограниченного объема информации об обработке заготовки за рабочий процесс без участия человека, что является принципиальным отличием обрабатывающих центров от их предшественников и предопределяет дальнейшие пути их развития с учетом передачи функций рабочего не только рабочей машине, но и системе с ЧПУ.
Непрерывный рост числа типов станков с ЧПУ свидетельствует о малой приспособленности существующих моделей станков к условиям развивающегося производства. Производители и потребители станков в равной мере страдают как от слишком быстрого, так и от медленного развития станков. Медленное развитие станков сдерживает повышение производительности у потребителя, а слишком быстрое - резко повышает стоимость станков и эксплуатационные затраты.
Освоение серийного производства фрезерных обрабатывающих центров с повышением их технического уровня и надежности при наименьших затратах на проектирование и изготовление позволит внедрить модульный принцип, благодаря которому можно создать технологически необходимые исполнения станков с различным уровнем автоматизации и последующей планомерной заменой ныне выпускаемых станков новыми. Внедрение модульного принципа должно являться основой для дальнейшего развития технологических возможностей станков с целью максимального удовлетворения конкретных требований потребителя.
Основные параметры качества станков закладывают на стадии проектирования. Следовательно, создание методов повышения технических параметров станков, степени их автоматизации при повышении их качества и сокращения сроков проектирования и отладки является, наряду с задачами организации производства и эксплуатации, одной из самых актуальных проблем станкостроения.
Технологическая концепция проектирования станков базируется на положении, согласно которому они создаются по служебному назначению с учетом типа и характера производства. Совокупность условий производства и характеристик изготовляемых деталей конкретного потребителя выдвигает определенные требования к станкам.
Существо конструкторской концепции сводится к следующему. Разработка современной машины всегда связана с риском, что она не пойдет в серийное производство. При этом усложнение конструкции обрабатывающего центра повышает степень риска производства. Наряду с многими организационными причинами серьезным ограничением запуска станка в серию является тот факт, что после его изготовления обнаруживается, что общий замысел, решение отдельных узлов и базовых деталей за время разработки и изготовления (4-5 лет) не соответствуют современному уровню и содержат свойственные новой конструкции ошибки. Другими словами, машина по отработанности конструкции соответствует опытному образцу, а по совершенству технологических возможностей - вчерашнему дню техники.
Из этого следует вывод о логичности разделения обрабатывающего центра в процессе производства на независимые модули с целью повышения вероятности выхода в серию всей машины. При этом важна конструктивная независимость модулей. При классическом методе проектирования станок разбивают на отдельные узлы. Однако это не создает независимости между ними, а определяет только возможность распределить работу между разработчиками узлов станка. Действительно, в практике проектирования классических станков разработка отдельных узлов идет методом бесконечного приближения взаимных требований.
Важнейшие показатели при производстве обрабатывающих центров
Проектируемый станок должен отвечать требованиям ГОСТ на показатели качества. В различных источниках приводятся различные и многочисленные перечни технико-экономических показателей станков, без систематизации которых трудно выделить главные и в большей степени определяющие технический уровень станка. При производстве обрабатывающих центров целесообразным выделить в качестве важнейших технико-экономических показателей станков следующие:
- производительность;
- точность;
- экономические показатели (стоимость изготовления и эксплуатации);
- комплекс показателей: эргономика (удобство управления, утомляемость рабочего и т. д.); эстетическое оформление; соблюдение требований техники безопасности.
Перечисленные показатели являются обобщающими зависят от многих вопросов и в первую очередь от уровня автоматизации, надежности и долговечности этих элементов, достигнутой унификации, минимальной металлоемкости станка, технологичности конструкции. Следует отметить, что важнейшими мероприятиями, способствующими улучшению всех показателей, является повышение надежности, долговечности и ремонтопригодности.
Выделяя количественные показатели обрабатывающего центра, зависящие от структуры, взаимного положения, размеров блоков, можно сказать, что такими в большей степени являются следующие:
- жесткость;
- податливость;
- виброустойчивость;
- стабильность положения элементов станка при тепловых деформациях.
Требования к обеспечению при компоновке кратчайших кинематических цепей и близкого расположения блоков с взаимно точными перемещениями не всегда согласуются с задачами достижения большей жесткости и виброустойчивости. Качество обрабатывающего центра в решающей степени определяет жесткость и виброустойчивость. В балансе погрешностей обработки 80-90% погрешностей имеет место вследствие упругих деформаций системы СПИД и податливости стыков.
Важнейшим экономическим показателем является металлоемкость станка, так как примерно 60% стоимости станка составляет стоимость материалов. Металлоемкость во многих случаях характеризуется коэффициентом:
m=G/N
где G - масса станка, кг; N - мощность привода главного движения, кВт.
Имеются обоснованные рекомендации, по которым оценивать металлоемкость многооперационных станков можно по следующему коэффициенту, т/м3:
γ=G/xyz
где x, y, z - размеры перемещений блоков по трем осям. Для оценки металлоемкости корпусных деталей можно использовать коэффициент:
γкор=Gкор/xyz
где Gкор - масса корпусных деталей.
К числу экономических относится показатель, характеризующий компактность компоновки:
σ=s/BL
где s - площадь, занимаемая станком, м2; BL - рабочая площадь стола, м2.
Отдельные показатели во многих случаях оказывают влияние друг на друга. Часто станок может дать повышенную производительность при некотором снижении точности обработки.
Увеличение производительности может вызвать повышение металлоемкости станка. Увеличение металлоемкости, а следовательно, и повышение стоимости может быть вызвано увеличением жесткости для получения большей точности. Улучшение эстетического вида и условий обслуживания станка увеличивает производительность, но приводит к увеличению его стоимости. Таким образом, необходимо выбирать условия, при которых производительность и точность были бы на должном, возможно на более высоком уровне (не ниже оговоренных заданием) при сравнительно удовлетворительных остальных показателях.
В некоторых случаях идея компоновки обрабатывающего центра подчинена задачам хорошего отвода стружки. Так, в станке BZ=20 компании Steinel рабочая поверхность стола находится в вертикальной плоскости. Стол имеет перемещение в вертикальном направлении по стойке по оси Х. Шпиндельная бабка перемещается по осям Y и Z в горизонтальной плоскости. Под столом создается большая зона для свободного отхода стружки и охлаждающей жидкости. Несколько затруднена установка детали на базы, особенно при большой массе.
При проектировании и последующем производстве обрабатывающих центров учитываются все требования, предъявляемые к станкам с программным управлением и к станкам повышенной или высокой точности. Обрабатывающие центры с ЧПУ при этом должны отличаться большой износостойкостью, виброустойчивостью и надежностью. Указанное объясняется необходимостью гарантированного обеспечения условий для безаварийной и бесперебойной работы этих станков в связи с высокой их стоимостью и одновременной эксплуатацией в две-три смены для получения хороших результатов по окупаемости. Условия работы усугубляются проведением на обрабатывающих центрах черновой и чистовой обработки деталей как из труднообрабатываемых металлов, так и легких сплавов. Усложняется подвод охлаждающей жидкости и удаление стружки в связи с необходимостью применения для разных операций различных СОЖ (иногда и жидких и консистентных).
