К средствам автоматизации можно отнести устройства управления (датчики, кулачки, ограничители, конечные выключатели, упоры) и измерения, загрузочные устройства, устройства уборки стружки, действие которых скоординировано с работой станка и требует вмешательства рабочего только при наладке станка или при подналадке в процессе работы.
При обслуживании станка применяют различные загрузочные устройства для сортового материала (прутков, труб, проволоки и т.п.) и штучных заготовок (поковок, штамповок, отливок). Загрузочные устройства для штучных заготовок в зависимости от степени автоматизации делят на механизированные (подъемно-транспортное оборудование), полуавтоматические (магазинные устройства), автоматические (бункерные устройства, роботы-манипуляторы).
В условиях серийного производства деталей эффективно использование автоматов и полуавтоматов, обрабатывающих детали типа втулок, колец, валов, включая контроль их размеров, автоматически, без участия рабочего, который следит за исправной работой автомата, периодически загружает его заготовками и контролирует качество обработки.
Обработка деталей на полуавтомате производится с участием рабочего, который производит смену заготовки, пуск станка, измерение обработанной детали и др.
Токарные автоматы и полуавтоматы в зависимости от ориентации оси шпинделя подразделяют на горизонтальные и вертикальные, в зависимости от количества шпинделей – на одношпиндельные и многошпиндельные, в зависимости от применяемой заготовки (пруток, труба, поковка, отливка, штамповка и др.) – на прутковые и патронные.
Автоматы и полуавтоматы, связанные между собой транспортными и загрузочными устройствами, образуют автоматизированные участки (если имеется возможность переналадки на обработку другой детали) или автоматическую линию (если такая возможность практически отсутствует).
Станки с ЧПУ по сравнению с обычными имеют следующие преимущества: повышение производительности и сокращение времени переналадки станка с одной детали на другую; сокращение сроков подготовки производства и др.
Высокая эффективность достигается при использовании станков с ЧПУ для обработки деталей со сложными криволинейными поверхностями. Большинство токарных станков с ЧПУ применяют для обработки ступенчатых валов, осей, втулок, фланцев, дисков и др.
Токарные станки с ЧПУ имеют высокую степень автоматизации. У них может быть автоматизировано (кроме формообразующих движений) переключение частот вращения шпинделя, смена инструментов, включение и выключение охлаждения, регулирование расхода СОЖ, Включение и выключение механизмов стружкодробления и стружкоудаления. По характеру управления движения органов станка системы ЧПУ делят на позиционное, контурное и смешанное.
Позиционное программное управление – это управление станками, необходимое для автоматической установки рабочего органа в позицию, заданную программой.
Контурное числовое программное управление применяется для обработки деталей сложной формы с криволинейными поверхностями. Это управление обеспечивает автоматическое перемещение рабочего органа по траектории, заданной программой.
Комбинированное числовое программное управление сочетает функции контурного и позиционного программного управления.
Современное состояние металлорежущего оборудования с программным управлением предусматривает следующие основные типы этого оборудования и управляющих систем.
1. Станки с оперативными системами программного управления, обеспечивающими подготовку управляющей программы непосредственно на рабочем месте, на основе широкого использования типовых технологических циклов обработки, хранящихся в памяти устройства. Эта группа станков должна заменить наиболее распространенные универсальные токарные станки. Станки с оперативными системами управления рассчитаны на обслуживание рабочим, способным в режиме диалога с системой управления сформировать управляющую программу, вводя конкретные значения в стандартный технологический цикл обработки. На станках этой группы обрабатывают партии деталей в полуавтоматическом режиме; при работе на них производительность повышается в 1,5-2 раза по сравнению с универсальным оборудованием.
2. Многоцелевые станки оснащают многопроцессорными, продуктивными системами управления, обеспечивающими резкое упрощение формирования управляющей программы, введение необходимых коррекций на отклонение заготовки, инструментов, режимов обработки, предусматривающих наличие устройства для диагностики состояния всех основных систем станка, предупреждение брака и другие функции. Эта группа станков ориентирована на серийное производство деталей и обеспечивает рост производительности в 2-3 раза по сравнению с универсальными станками с ручным управлением.
3. Для обработки наиболее сложных и дорогих деталей, в первую очередь деталей тяжелого машиностроения, предусмотрен выпуск станков, характеризующихся наличием универсальных систем программного управления со встроенными ЭВМ и свободным программированием необходимых алгоритмов обработки, повышением роли системы управление в коррекции погрешностей механических сборочных единиц станка и измерительных систем.
4. Оборудование с функциональными системами программного управления, обеспечивающими управление режимом обработки (главным приводом и приводом подач), последовательностью работы механизмов станка, предельными перемещениями по осям координат. К этой группе относятся автоматические линии для механической обработки, у которых повышается коэффициент использования за счет применения электронного управления циклами работы, счетчиков работы инструментов с одновременным использованием центральной ЭАМ для диагностики и планирования работы всего комплекса; автоматы и агрегатные станки с переналаживаемыми циклами работы, пригодные к использованию в крупносерийном производстве; токарно–револьверные станки с автоматическим циклом работы, задаваемым электронной системой управления.
5. Гибкие производственные системы на основе совместного использования станков с программным управлением и промышленных роботов для комплексной обработки широкой номенклатуры деталей, а также выполнения ряда сборочных операций.
6. Высокоавтоматизированные, гибкие производственные модули с программным управлением, требующие ограниченного вмешательства обслуживаемого персонала, способные автономно функционировать в течение одной – двух смен и предназначенные для обработки деталей типа тел вращения и корпусных деталей.
Огромное число морально устаревших станков может быть рационально использовано путем модернизации силами предприятия. Модернизация оборудования не является временным мероприятием. В связи с тем, что моральное старение станочного оборудования происходит значительно быстрее его физического износа, промышленные предприятия вынуждены постоянно заниматься вопросами модернизации станков.
Экспериментальный научно-исследовательский институт металлорежущих станков (ЭНИМС) разработал ряд типовых проектов модернизации наиболее распространенных моделей станков. Однако по этим проектам можно модернизировать лишь малую часть устаревших станков как вследствие многообразия их моделей, так и из-за разнообразия целей модернизации.
Ниже перечислены основные задачи модернизации токарных станков:
1) повышение мощности и быстроходности станка, достигаемое модернизацией привода главного движения;
2) увеличение подачи путем модернизации привода подачи;
3) повышение степени автоматизации станка для сокращения вспомогательного времени обработки;
4) автоматизация цикла обработки;
5) расширение технологических возможностей станка.
Существует несколько способов модернизации привода главного движения станка: повышение быстроходности привода главного движения, повышение быстроходности шпинделя, использование приставных коробок скоростей.
16. Вклад отечественной науки в исследование процессов резания металлов
В начале 18 века русский механик и изобретатель А.К. Нартов создал самоходный суппорт для токарного станка и ряд других станков оригинальной конструкции. В середине 18 века гениальный русский ученый М.В. Ломоносов изобрел сферотокарный станок для обработки металлических зеркал, построил лоботокарные и шлифовальные станки.
Основоположником учения о резании металлов является профессор И.А. Тиме, впервые сформулировавший основные законы резания. В 1870г. был опубликован доклад Тиме «Сопротивление металлов и дерева резанию», где подробно описан процесс образования стружки и произведена ее классификация, дана формула расчета силы резания.
Начало научного исследования микрогеометрии обработанной поверхности положено профессором В.Л. Чернышевым, при содействии которого в 1893 г. на Тульском оружейном заводе проводились измерения размеров и шероховатости обработанных поверхностей. В то же время профессор К.А Зворыкин изложил оригинальную теорию процесса резания, впервые применил гидравлический динамометр для определения сил резания. В 1912 г. Я.Г. Усачев более подробно исследовал явления, происходящие при резании металлов. Его особой заслугой является применение металлографии для исследования процессов резания и разработка метода определения температуры рабочей части резца с помощью термопары.