Глава 9. Механообработка

Металлорежущая обработка деталей на САС будет осуществляться на гибко переналаживаемых станках с максимально возможным совмещением отдельных операций. В наибольшей степени этому соответствуют современные многооперационные станки типа «обрабатывающих центров». На них ведется обработка корпусных деталей, включающая операции фрезерования, сверления и растачивания. Как правило, обрабатывающие центры оснащаются автоматическими устройствами смены заготовок и инструментальными магазинами с устройством смены инструмента. Одними из лучших отечественных станков подобного типа являются центры Ивановского станкостроительного объединения ИР320МФ4, ИР500МФ4, ИР800МФ4, ИР1600МФ4 и т.д. Появились токарные обрабатывающие центры, оснащенные специальными инструментальными головками, позволяющими не только вести токарную обработку, но и фрезеровать, сверлить и т.д. детали типа тел вращения.

Созданы модели еще более высокой степени совмещения операций на одном станке. Так, некоторые обрабатывающие центры оснащаются поворотными столами, позволяющими не только обрабатывать корпусные детали, но и обтачивать детали типа тел вращения (типа дисков, колец и т.д.). (Таким, например, является станок ИР320МФ4).На некоторых обрабатывающих центрах успешно выполняются и шлифовальные работы, несмотря на трудносовместимость их с другими операциями из-за высоких требований к жесткости конструкции станка и необходимости оснащения высокооборотным шпинделем. В частности, были сообщения об успешном выполнении шлифовальных работ на станке ИР320МФ4. Кроме того, многие уникальные тяжелые станки конструируются по комбинированной схеме, позволяющей кроме фрезерования, строгания, сверления и растачивания выполнять плоское шлифование (для этого оснащаются шлифовальными бабками). Среди них станки НС-6, НС-8 и НС-30 завода «Тяжстанкогидропресс».[26]

В ремонтном производстве еще с прошлого века широко применяются специально сконструированные комбинированные токарно-фрезерно-сверлильно-строгальные станки, на которых могут также производиться зуборезные и простые шлифовальные работы. Примером таких станков является станок модели КСК, выпускавшийся заводом «Комсомолец» в 40-ые годы,[27] и станок инженера Степанова, сконструированный в 1887 г. Обычно эти станки создавались на базе токарных станков и могли обрабатывать как тела вращения, так корпусные и плоские детали.

Таким образом можно сказать, что практика станкостроения добилась совмещения на одном станке всех 7 основных типов металлорежущих операций (фрезерных, сверлильных, расточных, строгальных, шлифовальных, токарных, зуборезных).

Такой же высокий уровень многооперационности, видимо, необходим и на САС. Для этого обрабатывающие центры, предназначенные для обработки корпусных деталей, должны быть доукомплектованы следующими сменными приспособлениями:

1) универсальной делительной головкой (для нарезки зубчатых колес, шлицев и спиральных канавок на валах и т.д.);

2) поворотным столом (для обточки крупных и плоских тел вращения, обычно обрабатываемых на карусельных станках);

3) шлифовальными бабками (головками) для выполнения плоскошлифовальных, внутришлифовальных, зубошлифовальных и профилешлифовальных работ);

4) доводочными головками (для выполнения полировочных, притирочных, хонинговальных операций);

5) долбежной головкой (для нарезки шпонок и внутренних зубьев шестеренок и т.д.).

Кроме названных центров САС должна быть оснащена токарными многооперационными станками, предназначенными для обработки длинномерных деталей типа тел вращения (валов, ходовых винтов, коленчатых валов и т.д.). На суппорте таких станков будут устанавливаться: резцовые револьверные головки, фрезерно-сверлильно-расточные головки, круглошлифовальные и резбошлифовальные головки, копировальные устройства (для обработки кулачковых валов и т.д.).[28]

Каждый многооперационный станок обычно оснащается инструментальным магазином и устройством автоматической диагностики и смены инструмента. Однако эти устройства значительно удорожают станки и оправданы только при частой смене инструмента. Если же инструмент заменяется редко, более целесообразно использовать мобильный робот и транспортную роботизированную тележку, обслуживающих группу станков или другого оборудования. Так, например, поступают ряд западных компаний, в т.ч. итальянская фирма «МКМ», оснастившая свою ГПС (из 2-х обрабатывающих центров) роботом для смены инструмента, доставляемого безрельсовой тележкой со специального инструментального стеллажа. (такие ГПС демонстрировались летом 1991 года на станкостроительной выставке в Париже).

Автоматизированную смену тяжелых заготовок на САС целесообразно выполнять непосредственно с помощью роботизированных транспортных тележек, оснащенных поворотным столом и кантователем спутников с заготовками. Широко практикуемое сейчас оснащение обрабатывающих центров стационарными перегружателями и накопителями спутников с заготовками предусматривать для САС вряд ли целесообразно. Во-первых, степень использования (по времени) этих металлоемких и дорогостоящих устройств будет низкой, а во-вторых, для доставки спутников с заготовками со склада и загрузки их в перегружатель или накопитель потребуется дополнительное оборудование (роботизированные тележки) или персонал. Особо крупногабаритные заготовки и детали будут транспортироваться и устанавливаться на обрабатывающие центры с помощью роботизированного мостового крана.

Автоматизированную загрузку небольших заготовок сейчас, как правило, осуществляют с помощью установленного на станке робота (например, на токарных роботизированных комплексах завода «Красный пролетарий» - 16К20Ф3Р132). На САС оснащение станков стационарными роботами оправдано только при очень коротком цикле обработки и большой серийности деталей (например, при изготовлении крепежных деталей и т.д.). В этих случаях робот должен быть дополнен накопителем (магазином) для хранения заготовок и готовых деталей, обеспечивающего длительную работу системы станок-робот между поставками партий заготовок со склада роботизированной транспортной тележкой. В остальных случаях более рационально применение мобильного загрузочного робота, осуществляющего групповое обслуживание станков и другого оборудования.

Теперь о выборе компоновок станков. Для обработки мелких и средних корпусных деталей наиболее предпочтительны многооперационные бесконсольные станки горизонтального типа (т.е. со шпинделем, расположенным параллельно столу), т.к. при наличии поворотного стола они могут с одной установки обработать 4 стороны детали. Консольные станки вертикального типа (со шпинделем перпендикулярным столу) могут обрабатывать без перестановки только одну сторону детали и поэтому менее удобны. Среди отечественных многооперационных станков горизонтального типа широкими возможностями обладает станок модели ИР320 (кроме фрезерно-сверлильно-расточных работ выполняет токарные и шлифовальные, размер стола 320х320 мм).

Для обработки деталей средних габаритов (до 800х800х800 мм) может быть использован станок, близкий по характеристикам модели ИР800МФ4 (станок может сверлить и зенкеровать отверстия Ø до 40 мм, растачивать точные отверстия до Ø 160 мм, фрезеровать по контуру, нарезать резьбу метчиком, имеет автоматическое устройство смены инструментов с магазином на 30 инструментов, поворотный стол, индексируемый с точностью до 1°; имеет рабочую площадь стола со спутником - 800х800 мм; наибольшие величины перемещений поперечно-подвижного стола - 1000 мм, продольно-подвижной стойки - 800 мм, вертикально-подвижной шпиндельной бабки - 710 мм, точность позиционирования (по координатам) - от 16 до 25 мкм; мощность главного привода - 14 кВт, производительность - до 525 см³ снимаемой стружки/мин.; массу (со меной инструментов) - 12,5 т и габариты 5,4х4,6х3,5 м).[29]

Применительно к условиям САС станок должен быть оснащен поворотным столом, допускающим карусельное вращение (для токарных работ) и использование шлифовальных головок (с этой целью потребуется повысить жесткость конструкции станка и точность позиционирования).

Для обработки крупных корпусных деталей обычно используются продольного типа станки с подвижным или неподвижным столом и шпиндельной головкой, установленной либо горизонтально на бесконсольной стойке, либо вертикально на консоли, либо на портале (вертикально или горизонтально). Портальные станки применяются чаще, т.к. их конструкция обеспечивает высокую жесткость и позволяет вести обработку одновременно с трех сторон, но они более громоздки и металлоемки, сложнее в изготовлении. Станки с неподвижным столом по сравнению со станками, где стол с деталью совершает продольные перемещения, имеют целый ряд преимуществ, существенных для САС. Во-первых, они занимают меньшую площадь из-за отсутствия хода стола (в некоторых случаях почти в 2 раза). Во-вторых, они могут обрабатывать очень массивные детали и детали с размерами, превышающими рабочую зону обработки. В-третьих, масса и стоимость таких станков обычно ниже. Таким образом, для обработки крупных корпусных деталей на САС предпочтителен будет одностоечный консольный или бесконсольный обрабатывающий центр с неподвижным столом. Анализ существующего типажа станков показывает, что большинство моделей обрабатывающих центров любой из перечисленных компоновок имеет слишком большую массу и размеры. Например, обрабатывающий центр ИР1600МФ4 (одностоечный с неподвижным столом) с рабочей зоной обработки (величиной максимальных перемещений инструмента поперечных х вертикальных х продольных) - 8000х2500х1000 мм имеет массу 80 т и габариты 16,5х6,4х7 м.[30] Объясняется это тем, что для высокопроизводительной обработки деталей (с большой глубиной и скоростью рабочей подачи инструмента) требуется повышенная жесткость конструкций станка. На САС общее количество крупных корпусных деталей будет сравнительно невелико (возможно, будет исчисляться десятками или даже единицами) и длительность их обработки не будет решающим фактором. Поэтому для САС могут быть использованы станки относительно небольшой производительности (с малыми усилиями подачи инструмента), а, следовательно, более легкой конструкции. В частности, к таким относятся станки Одесского завода радиально-сверлильных станков модели 2570 ПМФ4 и 2550 ОС1000МФ4. Первый - с подвижным порталом, второй - одностоечный консольного типа, оба с неподвижным столом, могут выполнять сверление, расточку, зенкерование, фрезерование плоское и контурное. Они оснащены системой автоматической смены инструмента и относятся к категории обрабатывающих центров. Их основное назначение - обработка крупногабаритных корпусов, плит, трубчатых досок, рам, балок и т.д. в индивидуальном, мелкосерийном и серийном производстве при частых переналадках. Станок 2554Ф2 с ЧПУ в базовом варианте имеет стол размером 2000х6000 мм; максимальную величину перемещений: продольное (портала) - 4000 мм, поперечное (шпиндельной головки) - 2000 мм и шпинделя - 630 мм; массу - 30 т, цена - 337,5 тыс. руб. (на 1.01.91 г.). Базовый вариант станка модели 2550 ОС1000МФ4 имел рабочую поверхность стола 2000х1000 мм, ход стойки - 1600 мм, ход шпиндельной головки - 1250 мм, ход шпинделя - 630 мм, емкость магазина - 24 инструмента, мощность главного привода - 11 кВт, массу - 13,5 т, габариты - 6х5х3,8 м,[31] цену - 115 тыс. руб.[32] На основе базовых вариантов по специальным заказам могут изготовляться станки обеих моделей с длиной хода стойки - до 18 м и частотой вращения шпинделя - до 6 тыс. об./мин. (в базовом варианте - до 2,5 тыс. об./мин.). Для станков предусмотрено применение автоматической поворотной шпиндельной головки для обработки как верхней горизонтальной поверхности, таки боковой поверхности.[33] Смена инструмента производится прямым взаимодействием шпинделя с инструментальным магазином без промежуточного манипулятора (это обеспечивает высокую надежность и безотказность). Наличие неподвижного стола не только позволяет устанавливать детали с размерами, превышающими рабочую зону станка, но и дает возможность совмещать процесс обработки одних деталей с установкой на рабочем столе следующих деталей (при небольших их размерах).

В случае применения на САС станков, подобных модели 2550 ОС1000Мф4 рабочая зона их должна быть увеличена путем присоединения дополнительных секций станины для обработки длинных корпусных деталей, а также возможно несколько расширен диапазон горизонтальных перемещений (у мод. 2550 ОС1000МФ4) и вертикальных перемещений.

Обработка деталей типа тел вращения зависит от размера и формы заготовок. Мелкие детали массой до 1 кг (крепежные детали и т.д.) целесообразно будет обрабатывать на микро-станке с ЧПУ, обслуживаемом роботом (настольным токарным и т.д.), плоские заготовки (типа диска, кольца) - на обрабатывающих центрах, предназначенных для обработки корпусных деталей и оснащенных поворотными столами для токарных работ; длинномерные заготовки (типа валов и т.д.) - на токарных центрах, сконструированных на базе традиционных токарно-винторезных станков. Конструкция последних должна быть достаточно жесткой, чтобы обеспечить выполнение финишных операций (шлифовальных и т.д.), а суппорт допускал установку шлифовальных, револьверных и других инструментальных головок.

Важным вопросом является определение типоразмера и структуры металлорежущего станочного парка САС. Конечно, речь идет только о самой общей ориентировочной оценке, которая может быть подвергнута существенной корректировке при разработке конкретных проектов САС.

При решении этого вопроса автор исходил из того, что критическим параметром для определения максимально необходимой величины рабочей зоны обработки для станков являются размеры деталей самих станков, т.к. габариты остального оборудования САС могут быть заданы, исходя из возможности станков, а его производительность скомпенсирована увеличением числа единиц оборудования.

По вышеприведенным прогрессивным моделям станков автор не располагает чертежами деталей, поэтому для анализа были взяты 3 других станка, широко распространенных в машиностроении типов и размеров, а именно: 1) для обработки крупных корпусных деталей - двух стоечный продольно-строгальный станок с рабочей зоной обработки 1000х3000 мм (рабочая площадь стола 830х3040 мм, ход стола - до 3350 мм, расстояние между стойками - 1000 мм, наибольшее расстояние от стола до верхнего суппорта - 850мм); 2) для обработки средних и мелких корпусных деталей - горизонтальный сверлильно-фрезерно-расточный станок (с наибольшим расстоянием между передней и задней стойкой - 2000 мм, размером стола 800х1000 мм, поперечным ходом стола - 900 мм, продольным ходом стола -1150 мм, наибольшим подъемом шпинделя над столом - 750 мм, длиной рабочего хода шпинделя - 560 мм, диаметром расточки - до 300 мм); 3) для обработки деталей типа тел вращения - токарно-винторезный станок «20ДИП» (диаметром точения над суппортом - до 220 мм и над станиной - 410 мм, максимальным расстоянием между центрами - 1500мм).[34]

Среди корпусных деталей наиболее крупными (размерами более 800х800х800 мм) являются: у продольно-строгального станка - станина (7000х730х640 мм); стол (3540х830х184 мм), 2 боковые стойки (2080х950х340 мм), поперечина (2100х450х208 мм), соединительная балка (1410х725х315 мм), составная зубчатая рейка (из 4-х частей по 938х240х45 мм). стойка для шкива (1700х370х150 мм). У горизонтального сверлильно-фрезерно-расточного станка к ним относятся: станина (3035х547х1000 мм), передняя стойка (1440х650х645 мм), хвост шпиндельной бабки (1972х650х430 мм), стол (930х1120х120 мм), верхние сани (920х800х77 мм), нижние сани (1500х800х130 мм), задняя стойка (1115х690х285 мм). У токарно-винторезного станка - станина (3360х490х316 мм).[35]

Из приведенного перечня деталей только три не вписываются в рабочую зону строгального станка (станина и стол строгального станка и станина токарного станка). Остальные крупные детали при условии оснащения продольно-строгального станка дополнительно фрезерно-сверлильно-расточным и шлифовальными головками могли бы быть обработаны на этом станке.

Три наиболее крупные детали не вписываются в рабочую зону строгального станка только одним параметром - длиной, что позволяет сделать их составными (например, станину строгального станка - из 3-х частей, а остальные - их 2-х частей) и обрабатывать по частям на этом станке. В практике тяжелого станкостроения это обычное явление. Например, для продольно-строгального станка модели 7289 стол размером 16488х4500х500 мм изготавливается из 4-х частей длиной по 4 м, а станина - из средней, двух концевых и нескольких дополнительных секций.[36] Станина токарного станка модели 1682 (Краматорского станкостроительного завода) длиной несколько десятков метров собирается из секций длиной по 8 м.[37] Технология обработки торцевых стыкуемых поверхностей секций следующая. На многоцелевом станке осуществляют торцевое фрезерование привалочной плоскости, фрезерование цилиндрической фрезой паза для шпонки, сверление соединительных отверстий и нарезание резьбы (в качестве технологической базы используют верхнюю плоскость с направляющими). После сборки для точной пригонки дополнительно иногда шлифуют направляющие собранных секций переносными станками.

Таким образом можно считать, что по анализируемой группе станков в принципе достигается самовоспроизводимость, если исходить из габаритов их корпусных изделий. Т.к. для анализа были выбраны станки с рабочими зонами, широко распространенными в машиностроительной практике, можно в первом приближении утверждать, что для САС максимальная станочная зона обработки корпусных деталей 1000х3000 мм будет достаточной.

Среди деталей типа тел вращения наиболее крупными (диаметром более 200 мм и длиной более 1500 мм) являются для продольно-строгального станка: а) у коробки скоростей - вал (Ø70х1602 мм), шестерня (Ø400х105 мм); б) у электромагнитной муфты - вал (Ø70х1550 мм), диск (Ø490х70 мм), кольцо (Ø445х14 мм), шкив (Ø645х172 мм); в) у поперечины - винт подачи (Ø40х2555 мм), 2 валика (Ø36х2485 мм). Для горизонтального сверлильно-фрезерно-расточного станка ими являются: а) шестерня станины (Ø330х120мм), подшипник коробки скоростей (Ø230х263 мм), шестерни передней стойки (Ø234х38мм и Ø243х45 мм), шестерни шпиндельной бабки (Ø216х123 мм, Ø372х48 мм), червячное колесо шпиндельной бабки (Ø236х60 мм), шпиндель (Ø80х1755 мм), винт задней стойки (Ø50х1880 мм). Для токарно-винторезного станка - это: футляр (Ø354х145 мм), шкив (Ø246Х66 мм), шестерня (Ø228х70 мм) передней бабки; ходовой винт (Ø40х.... мм) и 2 ходовых валика (Ø30х.... мм и Ø25х... мм), патрон (Ø410х90 мм). Все 25 деталей не вписываются в рабочую зону токарного станка. 15 из них представляют собой детали типа диска или кольца и могут быть обработаны на двух других станках при условии установки на них поворотных и делительных столов. Остальные 10 являются длинномерными и для их изготовления требуется станок с расстоянием между осями до 3000 мм. Чтобы удовлетворить этому требованию, станина станка должна быть удлинена с 3360 мм до 4360 мм, а каждая секция - с 1680 мм до 2180 мм, что остается в допустимых пределах обработки корпусных деталей на строгальном станке.

Вместе с увеличением длины рабочей зоны соответственно изменяются размеры ходового винта и ходовых валиков токарного станка. Чтобы обработать их на том же станке, эти детали тоже придется делать составными. В машиностроительной практике освоены различные способы изготовления и соединения составных частей ходовых винтов. Одним из распространенных способов является соединение секций винта с помощью короткой проставки, причем сначала обрабатывают одну секцию винта, в которую завернута на резьбе обработанная заранее проставка, и производят нарезание резьбы. Затем проставку вывертывают и соединяют с другой секцией винта. Проставка служит эталоном для нарезания резьбы на этой секции вала. После этого секции винта собираются с проставками и их положения фиксируются коническими штифтами. Собранный винт обрабатывается окончательно.[38] Схожими способами могут быть изготовлены длинные ходовые и другие валы.

Таким образом, минимально необходимый типаж основных станков (без учета приспособлений и малых станков) для САС включает: 1) обрабатывающий центр (для крупных деталей) с площадью рабочей зоны 1000х3000 мм (например, 2550 ОС1000МФ4); 2) обрабатывающий центр (для средних деталей) с площадью рабочей зоны 800х800 (например ИР800МФ4); 3) обрабатывающий центр (для небольших деталей) с площадью рабочей зоны 320х320 мм (например, ИР320МФ4); роботизированный токарный центр (для деталей типа тел вращения) с рабочей зоной Ø200х3000 мм (например,).

Структура металлорежущих станков определяется на основании соотношения основных типов обрабатываемых деталей и их типоразмеров. Долю станков токарной группы можно взять по удельному весу токарных работ (с добавлением круглошлифовальных работ) в общей механообработке деталей станка ИР800МФ4, которая составляет - 16% ( станко-часов). Остальное должно приходиться на многоцелевые обрабатывающие центры. Для установления соотношения между ними, можно воспользоваться приведенными в литературе данными о распределении корпусных деталей в целом по машиностроению по размерам и трудоемкости обработки (результаты обследования 6000 деталей по 11 машиностроительным отраслям).

Распределение корпусных деталей.[39]Таблица№14

Груп-па	Размер деталей до	Масса деталей до	Удельный вес в общей сумме деталей (по числу наименований)	Средняя станкоемкость 1 детали на обрабат. центрах (в станко-часах)	Удельный вес группы в общей станкоемкости корпусных деталей
I	до 1250 мм	до 1000 кг	12,5%	8,5 час.	56,5%
II	до 800 мм	до 500 кг	18,7%	2,5 час.	24,8%
III	до 400 мм	60 кг	25,0%	0,83 час.	11,0%
IV	до 200 мм	...	43,7%	0,33 час.	7,7%
	Всего:		100%		100%

Таблица охватывает св. 90% обследованных корпусных деталей. По данным авторов, на долю корпусных деталей приходится 27% общего числа деталей, изготавливаемых в машиностроении, а суммарная трудоемкость их обработки - 60% (остальные - детали типа тел вращения, плоские и т.д.).