Обработка металлов резанием

4.4.1. Общие сведения о механической обработке резанием. Процесс резания металлов заключается в срезании с обрабатываемой заготовкой слоя металла - припуска, специально оставленного на обработку, с целью получения детали с заданными чертежом формой, размерами и шероховатостью поверхностей.

Основными видами обработки резанием являются точение, строгание, сверление, фрезерование и шлифование. Обработка металлов резанием осуществляется на металлорежущих станках – токарных, строгальных, сверлильных, фрезерных и шлифовальных - с использованием различных режущих инструментов – резцов, сверл, фрез, шлифовальных кругов.

Движения, при которых с обрабатываемой заготовки срезается слой металла и изменяется состояние обработанной поверхности, называют движением резания.

Для осуществления процесса резания необходимо иметь главное движение резания и движения подачи (рис. 4.30).

Движение, определяющее скорость отделения стружки, принимают за главное движение – скорость резания. Движение, обеспечивающее непрерывность врезания режущего лезвия инструмента в новые слои материала, принимают за движение подачи. Главное движение и движение подачи в зависимости от вида обработки могут быть вращательными или прямолинейно поступательными и совершаться как заготовкой, так и режущим инструментом.

Рис. 4.30. Схема обработки резанием.

При точении главное движение Д_Г - вращательное движение заготовки, движение подачи Д_S – прямолинейное поступательное движение режущего инструмента – резца (рис. 4.30, a). Перемещением резца относительно заготовки срезается ее исходная поверхность, которая называется обрабатываемой поверхностью 1, и образуется новая поверхность, которая называется обработанной поверхностью 3. Временно существующая поверхность в процессе резания между обрабатываемой и обработанной поверхностями называется поверхностью резания 2. Расстояние между обрабатываемой и обработанной поверхностями, измеренное в направлении, перпендикулярном обработанной поверхности, определяется глубиной резания t. При точении глубина резания выражается уравнением t=(D-d)/2,где D и d – диаметры обрабатываемой и обработанной поверхностей, мм.

Скорость резания при точении υ - линейная скорость точек нарабатываемой поверхности заготовки, м/мин, которая определяли и следующим уравнением: υ=10^-3 πDn, где D – диаметр обрабатываемой поверхности заготовки, мм; п – частота вращения заготовки, об/мин. Подача s при точении количественно оценивается расстоянием, на которое перемещается режущий инструмент – в направлении движения подачи за один оборот заготовки, и имеет размерность мм/об.

Скорость резания v, подача s и глубина резания t являются параметрами режима резания при точении.

При строгании на поперечно-строгальных станках главное движение Д_Г сообщается резцу, а движение подачи Д_s – заготовке (рис. 4.30, б) или главное движение Д_Г – заготовка, а движение подачи Д_s сообщается резцу.

При сверлении (зенкеровании и развертывании) как главное движение Д_Г, так и движение подачи Д_s обычно сообщается режущему инструменту – сверлу (зенкеру, развертке) (рис. 4.30, в).

При фрезеровании главное движение Д_Г сообщается режущему инструменту - фрезе, а движение подачи Д_s - заготовке (рис. 4.30, г).

При протягивании (рис. 4.30, д) главное движение поступательное Д_Г сообщается режущему инструменту – протяжке. За величину подачи s_Z определяющим толщину срезаемого слоя отдельным зубом протяжки, принимают подъем на зуб, т.е. разность размеров по высоте двух соседних зубьев протяжки.

При круглом шлифовании (рис. 4.30, е)главное движение Д_Г сообщается режущему инструменту– шлифовальному кругу, а движение подачи Д_s – заготовке.

Скорость резания υ при сверлении (зенкеровании и развертыва­нии), фрезеровании и шлифовании определяется, так же как и при точении, только диаметром режущего инструмента. Скорость реза­ния υпри шлифовании имеет вид υ=10^-3πDn/60, м/с).

Скорость резания υпри строгании (м/мин) является линейной скоростью перемещения, резца или заготовки.

Подача s и глубина резания t определяются аналогично точе­нию, только при строгании подача s имеет размерность мм/дв.ход (дв. ход – двойной ход резца или заготовки), а при сверлении (зен­керовании, развертывании) и фрезеровании также рассматривает­ся подача на режущую кромку (зуб) режущего инструмента s_z, которая определяется уравнением s_z=s/z, где z – количество режущих кромок (зубьев) инструмента. При фрезеровании рассма­тривается также минутная подача s, которая численно оценивается значением перемещения фрезы относительно заготовки за минуту и имеет размерность мм/мин. При шлифовании подача s (мм/об) оп­ределяется в долях ширины шлифовального круга В: s = kB, где В – ширина шлифовального круга, мм, а k – коэффициент, при­нимаемый в зависимости от точности обработки 0,2-0,8.

Режущим инструментом называется инструмент для обработки металлов резанием. Наиболее распространенный режущий инстру­мент – резец – состоит из режущей части Б и стержня А (рис. 4.31).

Режущая часть имеет переднюю поверхность 1 и несколько задних поверхностей 3 и 4, из которых одна называется главной задней по­верхностью 4, а остальные — вспомогательными задними поверх­ностями 3. Передняя поверхность 1 обращена по ходу главного движения в сторону срезаемого слоя на обрабатываемой заготов­ке и по ней перемещается стружка. Главная задняя поверхность 4 обращена к поверхности резания, вспомогательная задняя поверх­ность 3 к обработанной поверхности заготовки.

а) б)

Рис. 4.31. Конструкция резца и вспомогательные плоскости при точении.

Передняя и задние поверхности, пересекаясь, образуют главное 6 и вспомогательное 2 режущие лезвия. Точка пересечения глав­ного и вспомогательного режущих лезвий образует вершину 5 ре­жущей части резца. На всех инстру­ментах лезвия в поперечном сечении имеют форму клина.

Положение поверхностей и лезвий режущей части инструмента координируется относительно его державки угловыми размерами, называемыми геометрическими параметрами. Геометрические параметры инструмента рассматриваются с использованием основной плоскости, а также плоскостей резания и главной секущей (рис. 4.31, б).

Основная плоскость I плоскость, параллельная продольной и поперечной подачам и совпадающая с основанием державки резца.

Плоскость резания II — плоскость, касательная к поверхности резания и проходящая через главную режущую кромку.

Рис. 4.32. Углы резца в статике.

Главная секущая плоскость III – плоскость, перпендикулярная проекции главной режущей кромки на основную плоскость.

Главные углы рассматриваются в главной секущей плоскости (рис 4.32, а).

Главный передний угол γ – угол между передней поверхностью
инструмента и плоскостью, перпендикулярной плоскости резания и проходящей через главную режущую кромку. Главный задний угол α - угол между главной задней поверхностью и плоскостью резания. Угол заострения β – угол между передней и главной задней поверхностями. Угол резания δ – угол между плоскостью резания и передней поверхностью.

Углы в плане измеряются в основной плоскости (рис. 4.32, б).

Главный угол в плане φ – угол между проекцией главной режущей кромки на основную плоскость и направлением подачи. Вспомогательный угол в плане φ₁ – угол между проекцией вспомогательной режущей кромки на основную плоскость и направ­лением подачи.

4.4.2. Инструментальные материалы. Металлорежущий инструмент может производить срезание слоя материала с поверхности заготов­ки в том случае, если его режущая часть изготовлена или оснащена инструментальным материалом, обладающим высокой твердостью, прочностью, температуростойкостью и износостойкостью.

Под температуростойкостью Θ_к инструментального материала понимается наибольшая температура, при которой он сохраняет высокое значение твердости и прочности.

Износостойкость материала определяет его способность со­противляться истирающему дей­ствию материала, с которым он находится в контакте.

В качестве инструментальных материалов для лезвийных инструментов используются бы­строрежущие стали, твердые сплавы (металлокерамика), минералокерамические сплавы (керметы), сверхтвердые мате­риалы, синтетические алмазы. Быстрорежущие инструмен­тальные стали являются высо­колегированными сталями с добавками вольфрама (обозначает­ся буквой Р), молибдена (М), ванадия (Ф), кобальта (К) при содержании примерно 4% хрома и 1% углерода. Наибольшее распространение в настоящее вре­мя находят следующие марки этих сталей: Р18, Р9Ф5, Р9М4К8, Р6М5, Р9К5, Р9К5Ф5. Твердость сталей находится в пределах 62-64HRA, температуростойкость 620-640°С.

Твердые сплавы делятся на три группы: вольфрамокобальтовую (ВК), вольфрамотитанокобальтовую (ТК) и вольфрамотитанотантало-кобальтовую (ТТК). При обозначении марок твердых сплавов указывается процентное содержание карбидов титана (Т), суммарное содержание карбидов титана и тантала (ТТ) и металлического кобальта (К), а остальным является карбид вольфрама. В твердых сплавах указанные порошкообразные карбиды соединяются в монолит металлическим кобальтом. В конце обозначения марки твердого сплава могут стоять буквы М, ОМ, Б, что означает зернистость: мелкозернистый, особо мелкозернистый и крупнозернистый.

Твердые сплавы вольфромокобальтовой группы обозначаются ВК (ВКЗМ, ВК4, ВК6М, ВК6-ОМ, ВК8, ВК10-ОМ), вольфрамотитанокобальтовой группы обозначаются ТК (Т5К10,Т15К6, Т30К4) и вольфрамотитанотанталокобальтовой группы обозначаются ТТК (ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ10К8-Б).

Твердость указанных марок твердых сплавов составляет 87-91HRA, температуростойкость 800-1250°С.

Покрытие твердых сплавов тонким слоем (5-15мкм) карбидов титана, ниобия), боридов, нитридов позволяет повысить их износостойкость в 5-6 раз.

Основой минералокерамических сплавов (керметов) является корунд-оксид алюминия А1₂О₃. Температуростойкость минералокерамики и керметов составляет 1500-1800°С.

Сверхтвердые материалы являются синтетическими материала­ми на основе гексагонального или кубического нитрида бора, кото­рый по твердости превосходит керметы и уступает только синтети­ческому алмазу. Температуростойкость композитов и нитрида бора достигает 1300-1800°С.

Синтетические алмазы образуются при спекании углерода под высоким давлением и при значительной температуре. В зависимости от технологии наращивания кристаллы алмазов имеют различное строение; следовательно, различные физико-механические свойства и по твердости приближаются к природным монокристаллам алмаза. Температуростойкость алмазов невелика – примерно 650°С, но она компенсируется их чрезвычай­но высокой твердостью, износостойкостью и теплопроводностью.

4.4.3. Основы процесса резания. В результате сопротивления металла при резании в процессе деформирования срезаемого слоя возникают реактивные силы, действующие на резец нормального давления и трения (рис. 4.33, а). Реактивные силы P_y1 – сила упругого деформирования и P_п1 – пластического деформирования, перпендикулярные к передней поверхности резца, а силы P_y2 и P_п2 перпендикулярные главной задней поверхности. Наличие нормально действующих сил обуславливает возникновение сил трения Т₁=ƒ₁·(P_y1 + P_п1), действующая вдоль передней поверхности резца и Т₂=ƒ₂·(P_y2 + P_п2), действующая вдоль главной задней поверхности резца (ƒ₁ и ƒ₂ – коэффициент трения стружки о резец и резца о заготовку). Полученную систему приводят к одной силе R – равнодействующей силе резания:

.

Для практических расчетов равнодействующую сил резания не используют, а используют ее составляющие, действующие по трем взаимно перпендикулярным направлениям координатным осям металлорежущего станка: ось x – линия центров станка, y – линия перпендикулярная к линии центра станка и z – перпендикулярна к плоскости x-y (рис 4.33, б).

Рис. 4.33. Схема сил, действующих на резец (а), и разложение силы резания на составляющие (б).

Равнодействующая этих сил называется силой резания R. Для удобства расчетов силу резания Rрассматривают в декартовой координатной системе xyz с центром, совпадающим с вершиной резца (рис. 4.33, б), причем ось y совпадает с геометрической осью державки резца, ось x параллельна оси вращения обрабатываемой заготовки, а ось z обладает с вектором скорости резания υ и проходит через вершину резца. При этом опорная плоскость державки резца па­раллельна плоскости xy, а вектор скорости подачи υ_S проходит через вершину резца.

Проекции силы R на оси xyz называется соответственно вертикальной (главной) Р_z, радиальной Р_y и осевой Р_х составляющей силы резания.

При угле φ=45° соотношение между составляющими Р_z:Р_у:Р_х = 1:0,4:0,25. Зная составляющие Р_z,Р_у,Р_х можно вычис­лить силу резания по следующей зависимости:

Механическая работа, затрачиваемая на пластическую деформа­цию и разрушение металла в процессе стружкообразования и об­разования новой поверхности, а также работа сил трения по перед­ней и задним поверхностям инструмента почти полностью превра­щается в теплоту. Теплота, выделяемая в зоне резания, нагревает стружку, обрабатываемую заготовку и режущий инструмент, в ко­торых образуются температурные поля. Наибольшая температура, возникающая в процессе резания, не должна превышать температуростойкости инструментального материала.

В процессе резания происхо­дит непрерывный износ режущего инструмента по передней и зад­ним поверхностям.

Так как разрушение режущего инструмента в процессе его работы недопустимо, необходи­мо прекратить им процесс резания до наступления периода его катастрофического износа и произвести переточку. Время работы режущего инструмента до его затупления h_зкр называется стойкостью, при этом величина h_зкрназывается критерием затупле­ния режущего инструмента.

4.4.4. Обработка на токарных станках. Точение производится на то­карных станках и применяется для обработки наружных и внутрен­них тел вращения: цилиндрических, конических, сферических и фа­сонных.

При точении заготовка закрепляется в установленном на шпин­деле станка патроне и вращается, а закрепленный в резцедержателе резец совершает поступательное движение в продольном Д_sпр и по­перечном Д_sп направлениях.

Токарно-винторезный станок общего назначения показан на рис. 4.34.

Станина 2 с горизонтальными призматическими направляющими служит для монтажа узлов станка и закреплена на двух тумбах. В передней тумбе 1 смонтирован электродвига­тель главного привода станка, в задней тумбе 12 – бак для хра­нения смазочно-охлаждающей жидкости и насосная станция для подачи жидкости в зону резания при обработке заготовок.

В передней бабке 6, установленной с левой стороны станины, смонтированы коробка скоростей станка и шпиндель. Механизмы и передачи коробки скоростей позволяют получать разные частоты вращения шпинделя станка. На шпинделе закрепляют зажимные приспособления для передачи крутящего момента обрабатываемой заготовке. На лицевой стороне передней бабки установлена панель управления 5 коробки скоростей.

Коробку подач 3 крепят к лицевой стороне станины. В коробке подач смонтированы механизмы и передачи, позволяющие полу­чать разные скорости движения суппортов. С левой торцовой стороны станины установлена коробка 4 сменных зубчатых колес, необходимых для наладки станка на нарезание резьбы.

Продольный суппорт 7, установленный на направляющих станины, перемещается по ним и обеспечивает продольную подачу резца. По направляющим продольного суппорта перпендикулярно оси вращения заготовки перемещается поперечная каретка, на которой смонтирован верхний суппорт 9. Поперечная каретка обеспечивает поперечную подачу резцу. Верхний поворотный суппорт можно устанавливать под любым углом к оси вращения заготовки, что необходимо при обработке конических поверх­ностей заготовок.

Рис. 4.34. Токарно-винторезный станок.

На верхнем суппорте смонтирован четырехпозиционный пово­ротный резцедержатель 8, в котором можно одновременно закреп­лять четыре резца. К продольному суппорту крепят фартук 10 станка. В фартуке смонтированы механизмы и передачи, преобра­зующие вращательное движение ходового валика или ходового винта в поступательные движения суппортов. Задняя бабка 11 установлена с правой стороны станины и перемещается по ее направляющим. В пиноли задней бабки устанавливают задний центр или инструмент для обработки отверстий (сверла, зенкеры, развертки).

Корпус задней бабки смещается относительно ее основания в поперечном направлении, что необходимо при обтачивании наружных конических поверхностей. Для предохранения работающего от травм сходящей стружкой на станке устанавливают специаль­ный защитный экран.

4.4.5. Обработка на сверлильных станках. Сверлильные станки пред­назначены для изготовления отверстий в деталях. Для повышения точности и качества отверстий после их обработки используются зенкеры и развертки.

Сверла, зенкеры и развертки применяются для изготовления сквозных, глухих, ступенчатых и глубоких отверстий с отношением глубины отверстия к его диаметру более пяти.

Режущая часть 1 у сверл имеет две режущие и по­перечную кромки, у зенкеров – несколько режущих кромок (3-4 и более), у разверток режущая часть может иметь начальный ко­нус 1 и заборный конус 2 с большим числом режущих кромок (6-12 и более).

Направляющая часть 2 у сверл имеет две ленточки и обратный конус (D >D₁) с углом φ'=1-3° для уменьшения сил трения сверла о стенки обрабатываемого отверстия; у зенкеров направляющая часть 2 – несколько ленточек и угол φ'=1-2°; раз­вертки кроме направляющей имеют калибрующую часть 3, точное изготовление которой обеспечивает получение отверстий с высокой точностью и качеством обработанной поверхности.  

Рис. 4.35. Основные части и конструкции сверла (а), зенкера (б) и развертки (в).

Рабочая часть 3 у сверл и зенкеров включает режущую 1 и направляющую 2 части, а у разверток рабочая часть 5 дополнительно имеет обратный конус 4 с углом φ=4-5°. Шейка 4 у сверл и зенкеров и шейка 6 у разверток является переходной частью от рабочей части инструмента к его хвостику 5 (7 у разверток). Лапка 6 предназначена для предотвращения проворачивания инструмента и выбивания его из патрона.

У сверл и зенкеров угол наклона винтовых канавок 8 для выхода стружки из обрабатываемого отверстия составляет соответственно 52-40 и 20-30°.

Угол при вершине сверла 2φ находится в пределах 60-140°, угол 2φ у зенкеров – в пределах 90-120°, угол 2φ₀, разверток - 90°, а угол φ=1,5°.

Обработку отверстий, как правило, производят на вертикально- и радиально-сверлильных станках с вертикальным расположением шпинделя.

Вертикально-сверлильный станок показан на рис. 4.36.

Рис.4.36. Общий вид вертикально-сверлильного станка.

На фундаментной плите 1 смонтирована колонна 2. В верхней части колонны расположена коробка скоростей 6, через которую шпинделю с режущим инструментом сообщают главное вращательное движение. Движение подачи (поступательное вертикальное) инструмент получает через коробку подач 5, расположенную в кронштейне 4. Заготовку устанавливают на столе 3. Стол и кронштейн имеют установочные перемещения по вертикальным направляющим колонны 2. Совмещение оси вращения инструмента с заданной осью отверстия достигается перемещением заготовки.

На сверлильных станках выполняют сверление, рассверливание, зенкерование, развертывание, цекование, зенкование, нарезание резьбы и обработку сложных отверстий в заготовках небольшой массы (до 25 кг).

Радиально-сверлильные станки предназначены для обработки тяжелых и крупногабаритных заготовок, которые сложно или невозможно обработать на вертикально-сверлильных станках. Продольно-строгальные станки применяется для обработки крупногабаритных и тяжелых заготовок.

4.4.6. Обработка на фрезерных станках. Фрезерные станки предназначены для обработки плоских и фасонных поверх­ностей, пазов, канавок, выступов, зубчатых колес, наружных и внутренних резьб.

Рис. 4.37. Основные виды фрез.

Фрезерование осуществляется режу­щим инструментом - фрезой, представляющей собой тело вращения, на образующей и (или) торцевой поверхности которого расположены режущие зубья. Главное движение при фрезеровании - вращение фрезы; движение подачи совершает заготовка (иногда фреза). Фрезы (рис. 4.37) могут быть самых различных конструкций, из которых наиболее распространенными являются цилиндрические (а), дисковые (б), концевые (в), торцевые (г) и фасонные (д).

Из группы фрезерных станков наибольшее распространение находят горизонтально-фрезерные, вертикально-фрезерные и продольно-фрезерные.

Рис. 4.38. Горизонтально-фрезерный станок.

На рис. 4.38 приведен общий вид горизонтально-фрезерного станка. В станине 1 размещена коробка скоростей 2. По вертикальным направляющим станины перемещается консоль 7. Заготовка, устанавливаемая на столе 4 в тисках или различных приспособлениях, получает подачу в трех направлениях: продольном (перемещение стола по направляющим салазок 6), попереч­ном (перемещение салазок по направляющим консоли) и вертикальном (перемещение консоли по направ­ляющим станины). Главным движе­нием является вращение шпинделя 9. Коробка подач 8 размещена внутри консоли. В верхней части станины расположен хобот 3. По его направляющим перемещается подвеска 5 с подшипником для поддержания второго конца длинной оправки с фрезой.

Горизонтально-фрезерные станки, имеющие поворотную плиту, которая позволяет поворачивать рабочий стол в горизонтальной плоскости и устанавливать его на требуемый угол, называются универсальными.

Вертикально-фрезерный станок имеет вертикально расположенную шпиндельную головку, которая при обработке наклонных поверхностей может поворачиваться в вертикальной плоскости. Продольно-фрезерные станки предназначены для обработки крупногабаритных и тяжелых заготовок.

4.4.7. Обработка шлифованием. Шлифованием называется способ обработки материалов резанием, осуществляемый массовым ско­ростным (υ=8-50м/с и более) микрорезанием поверхностных слоев твердых тел большим числом мельчайших зерен, сцементированных в инструмент с помощью связки.

Процесс шлифования используется как завершающая чистовая обработка с получением размером деталей с точностью по 6-8-му квалитетам и шероховатостью поверхности R_а=0,08-0,32 мкм и как обдирочная обработка при очистке литья, поковок и т.д. Шлифование осуществляется особым видом инструментов – шлифовальными кругами.

Шлифовальный круг представляет собой геометрически правильное тело, состоящее из шлифовальных (абразивных) зерен, связки и промежутков (пор) между ними. В зависимости от процентного содержания абразивных зерен в объеме шлифовальных кругов их структура может быть плотной (62-56%), средней (54-46%), открытой (44-38%) и очень открытое (36-22%). Структура круга обозначается номером: соответственно 0-3, 4-8, 9-12.

Шлифовальные круги имеют различную форму: ПП – прямого профиля, ПВ – прямого профиля с выточкой, ЧЦ – чашка цилиндрическая, ЧК – чашка коническая, Т – тарельчатой формы, Д – диски и др.

Для изготовления шлифовальных кругов используют следую­щие искусственные абразивные материалы: электрокорунд (кристаллы оксида алюминия А1₂О₃ с добавками), нормальный электрокорунд (условное обозначение 12А, 13А,..., 16А), белый электрокорунд (22А,.... 25А), хромистый электрокорунд (с добавками соединений хрома 32А, …,34А), монокорунд (кристаллы А1₂О₃ правильной формы 43A, …,45А), карбиды кремния (SiC) черный (53С...55С) и зе­леный (63C, 64С), алмазы природные (А) и синтетические (АС), нитрид бора (эльбор: ЛО – эльбор с обычной механической прочностью и ЛП – эльбор с повышенной механической прочностью.).

Абразивные зерна в зависимости от размеров делятся на следующие группы: шлифзерна (№200-16), шлифпорошки (№ 12-1), микропорошки (М40-М5).

Связки шлифовальных кругов делятся на неорганические и органинические. Наиболее распространенная из неорганических связок керамическая (условное обозначение К), состоящая из огнеупорной глины, жидкого стекла, полевого шпата и других компонентов, а из органических – бакелитовая (Б) и вулканитовая (В), основой которых соответствию являются бакелит и каучук.

Рис. 4.39. Плоскошлифовальный станок.

Шлифовальные круги обладают способностью частично или полностью самозатачиваться, т.е. самоудаляться под действием сил резания затупившихся абразивных зерен и обнажать, острые грани зерен следующего ряда. Это свойство шлифовальных кругов характеризуется твердостью. Под твердостью шлифовального круга понимают сопротивляемость выравниванию абразивных зерен под действием сил резания. По твердости шлифовальные круги делятся на мягкие (М), среднемягкие (СМ), средние (С), среднетвердые (СТ), твердые (Т), весьма твердые (ВТ) и чрезвычайно твердые (ЧТ), при этом чем мягче круг_; тем легче могут быть вырваны из связки абразивные зерна, и наоборот. Для шлифования деталей с высокой твердостью используют мягкие круги, и наоборот.

Шлифовальные станки подразделяются на станки для круглого шлифования и станки для плоского шлифования.

Плоскошлифовальный станок с прямоугольным столом состоит из станины 4, стола 3, стойки 2, шли­фовальной бабки 1 и привода сто­ла 5 (рис. 4.39).

Плоские поверхности шлифуют периферией круга. Движения подачи осуществляют приводом стан­ка либо вручную. Продольное перемещение стола s_np обеспечивается чаще всего с помощью гидравлического устройства – поршня цилиндров и органов управления.

4.4.8. Станки с числовым программным управлением. Более 70 % из­делий в машиностроении изготовляется в условиях серийного и мел­косерийного производства. Эффективным средством автоматизации мелкосерийного и серийного производства является использо­вание систем числового программного управ­ления (ЧПУ) металлорежущими станками. В станках с ЧПУ управление рабочими орга­нами в процессе обработки производится автоматически по заранее разработанной про­грамме без непосредственного участия че­ловека. По заданной программе происходит пере­мещение исполнительных органов станка на необходимую величину, а также происходит смена режущего инструмента. Производитель­ность труда при работе на станках с ЧПУ увеличивается в 3-5 раз по сравнению с универсальными станками без автоматичес­кого управления при изготовлении продук­ции в мелкосерийном и серийном производ­стве. Эффективность использования станков с ЧПУ в этих производствах обусловлена не­значительным временем, необходимым для переналадки системы для обработки другого типа – размера детали.

При механической обработке заготовок должна быть обеспечена определенная после­довательность рабочих и холостых движений в станках, которая называется программой, При автоматическом управлении программа должна выполняться без непосредственного участия человека. Запись программы в станках с ЧПУ, как пра­вило, осуществляется на перфоленту.

Перфолентой называется специального типа лента, на которой пробиты в определенном порядке отверстия. Перфолента имеет восемь дорожек, ширину 25,4 мм с шагом перфорации 2,5 мм. Пер­фолента может быть бумажной или пластмассовой.

Станки с ЧПУ имеют такую же компоновку, как и рассмотрен­ные ранее станки с ручным управлением.

На рис. 4.40 показан многооперационный станок с ЧПУ с автоматической сменой режущего инструмента, предназначенный для обработки призматических и корпусных деталей с разных сторон и выполнения операций сверления, зенкерования, развертывания, нарезания резьбы, фрезерования, подрезания торцов и др. Стойка 8 перемещается по горизонтальным направляющим станины в на­правлении, параллельном оси шпинделя 1 станка. Стол станка выполнен из двух частей: нижняя часть 10 перемещается по горизонтальным направляющим станины в направлении, перпендикулярном оси шпинделя 1 станка; верхняя часть 11 выполнена поворотной. Шпиндельная бабка 2 перемещается в вертикальном направлении по направляющим стойки 3. Выполненный в виде бесконечной ленты инструментальный магазин 5 несет гнезда, в которых размещаются оправки с различными инструментами.

Рис. 4.40. Многооперационный станок с ЧПУ.

Автоматическая смена режущего инструмента производится с помощью автооператора 4, который по команде системы ЧПУ станка извлекает из соответствую­щего гнезда магазина 5 необходимый режущий инструмент и пере­мещает его в шпиндель для закрепления. Приспособление-спутник 7 с крепленной на нем заготовкой 6 размещается на установлен­ном на станине 8 дополнительном столе 9. В начале цикла обработ­ки приспособление-спутник 7 с заготовкой 6 перемещается по столу 9 в направлении установленного в положении загрузки стола 10. Затем приспособление-спутник 7 с заготовкой 6 размещается на поворотной части 11 стола, фиксируется относительно него, стол перемещается в зону обработки и заготовка обрабатывается со всех сторон. Во время обработки заготовки 6 на дополнительном столе 12 готовится к обработке следующая заготовка 6. После обработки деталь 6 возвращается на дополнительный стол 9, а заготовка 6 со стола 12 аналогично описанному перемещается в зону резания.

4.4.9. Промышленные роботы и роботизированные технологические комплексы (РТК). Станок с ЧПУ является полуавтоматом, так как рабочий цикл обработки детали осуществляется автоматически по программе, записанной на перфоленте или магнитной ленте. Уча­стие человека в работе станка с ЧПУ сводится в основном к перемещению детали в зону закрепления детали и после автоматиче­ской обработки детали – к ее раскреплению и перемещению из зоны обработки. Действия рабочего при работе на станке с ЧПУ в настоящее время успешно заменяются действиями автоматиче­ской машины – промышленного робота.

Промышленный робот – автоматическая машина, заменяющая фун-кции человека при перемещении предметов производства и (или) технологической оснастки.

Промышленные роботы повышают производительность труда, по­зволяют осуществить комплексную автоматизацию производства, освобождают человека от монотонных, тяжелых, опасных и вред­ных работ. Важным достоинством промышленных роботов является возможность их быстрой переналадки в условиях частой смены объектов производства, т. е. в условиях серийного и мелкосерий­ного производства в комплексе со станками с ЧПУ; они называются и роботизированными технологическими комплексами.

Роботизированный технологический комплекс (РТК) состоит из станка с ЧПУ, промышленного робота и тактового стола. Тактовый стол предназначен для хранения запаса заготовок и подачи их в зону захвата промышленного робота.

4.4.10. Гибкие производственные системы. Любое изделие, используе­мое в народном хозяйстве морально, устаревает, т. е. становится не соответствующим настоящему уровню развития науки и тех­ники и должно быть заменено на более совершенное изделие. Кроме того, каждое предприятие, как правило, изготовляет целую номен­клатуру изделий и для их выпуска должно в определенный кален­дарный срок переходить с изготовления одного изделия на другое. Для эффективного перехода с изготовления одного изделия на другое широко начинают использоваться гибкие производственные си­стемы.

Гибкая производственная система (ГПС) – совокупность не­скольких или отдельной единицы технологического оборудования и системы обеспечения ее функционирования в автоматическом ре­жиме, которая обладает свойством автоматизированной переналад­ки при производстве изделий произвольной номенклатуры в установ­ленных пределах значений их характеристик.

ГПС представляет собой комплекс, состоящий из ЭВМ, несколь­ких станков с ЧПУ, устройств транспортирования, загрузки заготовок и разгрузки деталей, контрольно-измерительной системы и си­стемы замены режущего инструмента.

ГПС является мощным средством совершенствования производства и имеет высокую производительность, низкую себестоимость массового производства и мобильность мелкосерийного производства, обеспечивает работу технологического оборудования в режиме «безлюдной технологии», повышает качество продукции и умень­шает количество рабочих, занятых в производстве.