Повышение точности и производительности обработки заготовок на станках с ЧПУ

Технические науки/3.Отраслевое машиностроение

Д.т.н. Берлинер Э.М., к.т.н. Аверьянова И.О.

Московский государственный индустриальный университет, Россия

Повышение точности и производительности обработки заготовок на станках с ЧПУ

Точность обработки заготовок относится к числу важнейших параметров, по которым предприятия оценивают целесообразность покупки новых металлорежущих станков. Еще несколько десятилетий назад высокоточными считались токарные станки, обеспечивающие точность, измеряемую сотыми долями миллиметра при обтачивании валов диаметром 10 – 100 мм. Сейчас заводы стремятся приобрести станки, выполняющие те же операции, но с точностью на 1 – 2 порядка выше.

Повышение точности обработки заготовок на современных металлорежущих станках достигается за счет внедрения следующих мероприятий:

· более высокая точность изготовления деталей станка;

· использование сервоприводов, для улучшения позиционирования;

· сокращение длины кинематических цепей станка за счет использования автономных приводов и уменьшения числа механических передач;

· устранение зазоров в передаточных механизмах приводов подач;

· увеличение жесткости конструкции станка. Так применение литой, а не сварной станины позволяет не только увеличить жесткость станка, но и улучшить его демпфирующую способность;

· повышение виброустойчивости станка;

· снижение потерь на трение и тепловые деформации в направляющих и в других конструкциях;

· обеспечение стабильности температурных полей станочных подсистем: направляющих, шпиндельных узлов, передач винт-гайка;

· применение в станках датчиков обратной связи.

Базовые детали некоторых станков с ЧПУ выполняют из полимербетонов с высокими динамическими и термическими свойствами. Они обеспечивают минимальные механические и тепловые деформации станка, гашение вибраций. Причем коэффициент трения практически не зависит от скорости движения. Это позволяет снизить мощность следящего привода, увеличить точность перемещений, уменьшить рассогласование в следящей системе.

Более высокую долговечность, большую износостойкость и сравнительно небольшую силу трения при перемещении узлов станка обеспечивают направляющие качения. Они позволяют снизить мощность следящего привода, увеличить точность перемещений, уменьшить рассогласование в следящей системе. Для уменьшения коэффициента трения направляющие скольжения станины и суппорта изготавливают в виде пары скольжения «сталь (или высококачественный чугун) - пластиковое покрытие (фторопласт и др.)». В качестве тел качения используют ролики. В прецизионных станках применяют аэростатические подшипники, в которых между шейкой вала и поверхностью подшипника находится сжатый воздух, благодаря этому снижается износ и нагрев подшипника, повышается точность вращения и т.п. Предварительный натяг повышает жесткость направляющих в 2...3 раза. Для создания натяга используют регулирующие устройства.

Температурную погрешность станка уменьшают, вводя коррекцию в привод подач на основе сигналов датчиков температур. Для уменьшения тепловых деформаций стремятся обеспечить равномерный температурный режим в механизмах станка. Это достигается, например, предварительным разогревом станка и его гидросистемы. Для температурной стабилизации в базовую конфигурацию станка вводят холодильник, обеспечивающий охлаждение его основных и второстепенных узлов.

Мощные шпиндельные узлы обеспечивают возможность длительной работы на максимальных оборотах. Отдельные модели станков с ЧПУ имеют пределы регулирования рабочей подачи от 0,1 до 10000 мм/мин, что позволяет выбрать для каждого конкретного случая оптимальную величину подачи.

Одним из основных показателей точности металлорежущего станка является минимально возможное перемещение рабочих органов станка при выведении их в наладочное положение. В современных станках стремятся сократить длину кинематических цепей за счет установки автономные приводов и, по возможности, сокращения числа механических передач.

Одно из основных требований, предъявляемых к современному обрабатывающему оборудованию – его универсальность. По сравнению с обычными металлорежущими станками станки с ЧПУ обеспечивают выполнение за одну установку детали большого количества технологических переходов с использованием различных металлорежущих инструментов.

Возможность комплексной обработки заготовки на одном станке несколькими инструментами с разных сторон, без перемещения на другие станки обеспечивает постоянство базирования. Снижению точности обработки способствуют колебания припуска и твердости материала обрабатываемой заготовки, а также затупление режущего инструмента.

Компенсировать как систематическую, так и случайную составляющую погрешностей обработки и проводить эту компенсацию непрерывно в процессе эксплуатации позволяют адаптивные системы управления. Высокоточные измерительные устройства позволяют контролировать размеры обрабатываемой заготовки непосредственно в процессе обработки.

Несмотря на постоянно возрастающие требования к точности обрабатываемых деталей, сроки выполнения работ от приема заказа до отгрузки готовой продукции постоянно сокращаются. Один станок с ЧПУ заменяет несколько обычных металлорежущих станков, что обеспечивает уменьшение количества используемого оборудования, производственных площадей и рабочей силы.

Снижение времени рабочего цикла станка достигается за счет

· высоких скоростей рабочих и установочных перемещений узлов станка;

· возможности обработки заготовки со всех сторон путем использования вспомогательного шпинделя;

· использования дополнительного шпинделя для перехвата заготовки и обработки ее с другой стороны;

· выполнения установочных перемещений и движений подачи не только суппортом с револьверными головками, но и пинолью электрошпинделя, имеющего значительно меньшую массу;

· уменьшения времени смены инструмента (для современных металлорежущих станков время автоматической смены инструмента измеряется секундами);

· применения измерительных устройств, позволяющих выполнять контроль размеров деталей непосредственно на станке;

· использования новых сверхтвердых материалов для режущих инструментов, позволяющих в ряде случаев заменить шлифование точением.

Станки снабжаются магазином, содержащим до 100 режущих инструментов, что позволяет выполнить полную обработку детали на одном станке. Загрузка нужного для работы режущего инструмента и его смена на станках с ЧПУ выполняются в автоматическом режиме согласно заданной программе. Отличительная особенность револьверных головок - возможность вращения инструмента не только параллельно оси вращения детали, как в обычных металлорежущих станках, но и перпендикулярно или с наклоном к оси детали.

Время переход на другой инструмент при использовании револьверных головок измеряется секундами. Автоматическая смена инструментов позволяет эксплуатировать станок в круглосуточном режиме без участия рабочего. Возможность обработки деталей различной конфигурации, быстрое и гибкое переоснащение станка и наладка обеспечивается доступностью рабочего пространства для работы наладчика.

Следует учитывать, что повышение точности и сокращения времени обработки на станке с ЧПУ обеспечивается за счет значительного усложнения конструкции станка и, как следствие, повышения его стоимости, стоимости ремонта и обслуживания. Сокращение производственных издержек реализуется за счет автоматической работы станков без присутствия операторов и существенного уменьшения объема ручной доводки для деталей, имеющих сложную геометрическую форму.

Во многих случаях потребители готовы пойти на увеличение стоимости заказа, при условии сокращения сроков поставки.

На основании вышеизложенного, можно сделать следующие выводы:

1. Повышение точности обработки на современных металлорежущих станках достигается:

· возросшей точностью изготовления деталей станка;

· увеличением жесткости станка;

· сокращением длины кинематических цепей станка за счет установки автономные приводов;

· сокращением числа механических передач станка;

· возможностью комплексной обработки заготовки на одном станке несколькими инструментами с разных сторон без перемещения на другие станки.

2. Снижение времени рабочего цикла станка достигается за счет

· высоких скоростей рабочих и установочных перемещений узлов станка;

· быстрого перехода на другой инструмент (для некоторых станков смена инструмента происходит менее чем за 1 секунду);

· возможности обработки заготовки со всех сторон путем использования вспомогательного шпинделя.

3. Следует учитывать, что повышение точности и сокращения времени обработки на станке с ЧПУ обеспечивается за счет значительного усложнения конструкции станка и, как следствие, повышения его стоимости, стоимости ремонта и обслуживания.