ЛЕКЦИЯ 5. Проектирование операционного технологического процесса обработки на токарных станках с ЧПУ

Проектирование операционного технологического процесса обработки на станках с ЧПУ производится на основе технических и экономических принципов.

В соответствии с техническими принципами проектируемый технологический процесс должен обеспечивать выполнение требований чертежа заготовки и технических условий на ее изготовление.

В соответствии с экономическими принципами обработку заготовки необходимо производить при наименьших затратах времени и наименьшей себестоимости.

Поэтому, проектируя технологическую операцию, стремятся к уменьшению штучного времени и использованию наименее дорогостоящего станка с ЧПУ, способного обеспечить высокопроизводительную обработку заготовки. Основное время можно сократить путем применения высокопроизводительных режущих инструментов и режимов резания, уменьшения числа переходив и времени холостых ходов, также учитываемых при определении машинного времени обработки на станках с ЧПУ. Сокращение вспомогательного времени производится за счет уменьшения времени на смену инструмента и применения более совершенных установочных приспособлений с быстродействующими зажимами.

Проектирование технологической операции обработки заготовки на токарном станке с ЧПУ включает в себя комплекс задач, которые приходится решать при использовании токарных станков с РУ, а также дополнительных задач, обусловленных особенностями работы станков с ЧПУ. К числу традиционных задач относятся выбор схемы базирования и конструкции зажимного приспособления, установление последовательности обработки поверхностей, определение числа переходов, выбор модели станка и типоразмеров режущих инструментов, расчет припусков на обработку, режимов резания и норм времени. К числу новых задач, специфических для применения станков с ЧПУ, относится создание управляющей программы работы станка с ЧПУ, для чего необходимо построить траектории движения режущих инструментов и рассчитать координаты опорных точек траектории. Всю полученную информацию следует занести в операционную карту и затем определенным образом записать в карту кодирования. На заключительном этапе полученные данные в установленном ходе записываются на программоноситель с помощью специальных устройств. Изготовленную таким образом управляющую программу перед использованием в производственных условиях проверяют и при необходимости корректируют.

Схема базирования заготовки на станке с ЧПУ должна обеспечивать достаточную устойчивость и жесткость установки заготовки, а также требуемую точность ориентации заготовки в приспособлении. Это достигается выбором соответствующих размеров и качеством базовых поверхностей, а также их взаимным расположением. Технологические базы помимо их основного назначения должны удовлетворять требованию совмещения направления координатных осей заготовки с осями координатной системы станка. Удовлетворение этого требования упрощает программирование и облегчает взаимную увязку «нуля» заготовки с «нулем» станка.'

При обработке заготовки на токарных станках с ЧПУ наибольшее распространение получили две следующие традиционные схемы установки: в центрах (для заготовок типа валов) и в.патроне (для заготовок типа дисков и втулок). Эти схемы по подготовке базовых поверхностей отвечают требованиям, предъявляемым к установке заготовок на станках с ЧПУ.

Принятая схема базирования определяет конструктивную схему приспособления, которое для станков с ЧПУ предназначено для тех же целей, что и приспособление для станков с РУ, т. е. для установки заготовки на станке. Однако с целью получения высокой точности обработки в автоматическом цикле точность приспособлений для станков с ЧПУ должна быть повышена. Более высокие требования предъявляются и к жесткости приспособлений, используемых на этих станках. Для обеспечения жесткости закрепления заготовки в кулачковом патроне станка с ЧПУ должна быть предусмотрена достаточная длина зажимаемой поверхности заготовки, причем наименьшая длина зажима регламентируется соответствующими нормативами. Для обеспечения установленной наименьшей длины зажима иногда приходится соответственно увеличивать длину исходной заготовки с последующей обрезкой излишка материала. Для получения наилучших результатов целесообразно применять переналаживаемые приспособления.

Число и последовательность технологических переходов определяют с учетом принятого вида исходной заготовки, взаимного расположения обрабатываемых поверхностей и требований к точности готовой детали с учетом номенклатуры режущих инструментов и условий удаления стружки.

Поверхности, окончательная обработка которых может производиться проходным или расточным контурным резцом, отнесены к основным. Поверхности, для формообразования которых необходим режущий инструмент, отличающийся от контурного резца, отнесены к дополнительным. К основным формам поверхностей относятся: торцовые, цилиндрические и конические поверхности, а также поверхности с криволинейной образующей и неглубокие канавки и выточки (до 1 мм), которые можно выполнить резцами со вспомогательным углом в плане j= 27–30°.

С целью единого подхода к составлению попереходной технологии все заготовки, обрабатываемые на токарных станках с ЧПУ можно разделить на четыре основные группы:

1) не имеющие дополнительных форм поверхностей;

2) имеющие дополнительные формы поверхностей и требующие только чистовую обработку;

3) имеющие догюлнительные формы поверхностей и требующие черновую и чистовую обработку;

4) имеющие дополнительные формы поверхностей, требующие черновую и чистовую обработку, а также дополнительные формы поверхностей, требующие только чистовую обработку.

На токарных стайках с ЧПУ последовательность переходов обработки следующая:

а) предварительная (черновая) обработка основных участков поверхностей детали: подрезка торцов, центрование перед сверлением отверстий диаметром до 20 мм, сверление (если используются два сверла, то вначале сверлом большего диаметра), рассверливапие отверстий, точение (получистовая обработка) наружных поверхностей, а затем растачивание внутренних поверхностей;

б) обработка дополнительных участком поверхносгсй детали (кроме канавок для выхода шлифовального крут, резьбы и т. п.); в тех случаях, когда черновая и чистовая обработки внутренних поверхностей проводятся одним резцом, все дополнительные участки обрабатывают после чистовой обработки;

в) окончательная (чистовая) обработка основных участков поверхности детали, сначала внутренних, потом наружных;

г) обработка дополнительных участков поверхностей детали, не требующих черновой обработки: сначала в отверстиях или на торцах, затем на наружной поверхности.

Черновую обработку со снятием напуска проводят по-разному: если перепад диаметров ступеней больше длины ступени, то обработку ведут с поперечной подачей (в противном случае – с продольной подачей). Современные системы ЧПУ позволяют вести эту обработку по постоянному циклу. При составлении программы задают исходный и требуемый контур. Система ЧПУ автоматически формирует управляющие команды для выполнения обработки. Схемы перемещения инструментов при обработке основных участков поверхности приведены на рис, 5.1 - 5.3. Обычно эти участки обрабатывают черновыми, а затем чистовыми резцами.

На станках с ЧПУ фаски, канавки для выхода инструмента обрабатывают, как указано выше, или тогда, когда это наиболее целесообразно применительно к стойкости инструмента и производительности обработки. При этом учитывают, что работа вершины резца при врезании улучшается, если снята фаска. Если обработка начинается со снятия фасок. то детали будут без заусенцев (по этой же причине канавки выполняют нередко после чистового перехода). Фаски целесообразно снимать серединой режушего лезвия инструмента.

Для уменьшения трудоемкости программирования канавки сложной формы обрабатывают по типовой программе резцами за несколько переходов (рис. 5.4, 5.5). Окончательный профиль детали получают при чистовом переходе. Критериями для выбора схемы обработки и инструментов служат глубина канавки h = 0,5(D₂ - D₁) и шириyа канавки В (рис 5.4а) Если h < 5 мм, то предварительную обработку ведут с продольной подачей канавочным резцом при В < 30 мм (рис. 5.4 б) и проходным резцом при В > 30 мм (рис 5.4 в) При h > 5 мм и В < 30 мм применяют канавочные резцы и работают методом ступенчатого врезания (рис. 5.4 г). При В < 30 мм после получения канавки шириной до 10 мм (рис 5.4д) оставшийся материал убирают подрезным резцом (рис 5.4 е) Окончательную обработку во всех случаях проводят двумя канавочными резцами по контуру (рис 5.4 ж и з) Аналогично обрабатывают внутренние канавки

Рисунок 5.1 - Схемы перемещений проходных резцов при обработке основных участков поверхностей: а — левого резца б-правого резца І - эскиз участка поверхности ІІ -схемы перемещений

Рисунок 5.2 - Схемы перемещений подрезных резцов при обработке основных участков поверхностей: І - эскиз участка поверхности ІІ -схемы перемещений	Рисунок 5.3 - Схемы перемещений расточных резцов при обработке основных участков поверхностей: І - эскиз участка поверхности ІІ -схемы перемещений

Рисунок 5.4 - Типовые программы обработки канавок сложной формы

Обработку торцовых канавок, показанных на рис 5.5 а, ведут следующим образом При ширине канавки В = 0,5(D₂ - D₁) < 60 мм пред варительную обработку ведут по схеме, представленной на рис 5.5,б (глубина канавки h < 3 мм), или по схеме на рис. 5.5 в и г (глубина канавки h > 3 мм) Окончательную обработку торцовых канавок ведут двумя одинаковыми резцами, различающимися положением формообразующсй вершины (рис 5.5, д и е)

Рисунок 5.4 - Типовые программы обработки торцевых канавок

Общая типовая схема последовательности токарной обработки заготовки предусматривает и частные случаи, которые зависят не только от наличия тех или иных форм поверхностей, но и от количества режущих инструментов, которое можно разместить в револьверной головке или магазине станка с ЧПУ.

Параллельно с разработкой схемы последовательности обработки производится выбор режущего инструмента Особое внимание при выборе режущего инструмента обращается на его тип, характер обработки, наименьший диаметр и наибольшую длину обработки, материал режущей части инструмента и материал заготовки. Целесообразно на основных переходах использовать инструмент прогрессивной конструкции с многогранными неперетачиваемыми пластинками твердого сплава, которыми главным образом оснащены штатные резцы, поставляемые со станками с ЧПУ. Можно использовать нормализованный или стандартизированный режущий инструмент в соответствии с размерами установочных мест резцедержавок..

Выбор режимов резания является комплексной технико-экономической задачей, решение которой заключается в определении комбинации режимов резания, обеспечивающих минимум затрат на обработку при заданных технических ограничениях. Определение оптимальных режимов, обеспечивающих минимальную себестоимость обработки, зависит от ряда факторов, в частности от принятого критерия оптимальности, стойкостной зависимости, особенностей станка с ЧПУ, числа оптимизируемых параметров и представляет собой сложную проблему

Рациональные режимы резания для токарной обработки выбирают в зависимости от вида обработки и формы обрабатываемой поверхности с учетом технических ограничений.

При черновой обработке основных форм поверхностей (обтачивание наружных и торцовых поверхностей, растачивание внутренних поверхностей) режимы резания следует назначать исходя из задачи полного использования возможностей инструмента и станка, так как от черновых ходов в основном зависит производительность выполнения операции. При многопроходной обработке глубину резания определяют по методике, которая изложена выше для проектирования схемы движения режущих инструментов.

Подачу назначают максимально допустимой техническими ограничениями. Такими ограничениями для подачи при черновой обработке являются жесткость установленной определенным образом заготовки, обрабатываемой на станке, жесткость резца, прочность державки резца, прочность режущих пластин резца, прочность механизма подачи станка, наибольший крутящий 'момент. мощность главного привода, предельные минутные подачи на станке. Зависимости для определения подач, допускаемых перечисленными техническими ограничениями, приведены в работе [6].

При обработке стали подача, выбранная в соответствии с техническими ограничениями, корректируется для учета влияния характеристики обрабатываемого материала на удовлетворительное формирование стружки. Поправочный коэффициент К_s для инструмента с неперетачиваемыми пластинками твердого сплава выбирают по данным ЭНИМСа. Подачу на первый черновой ход инструмента при наличии биения заготовок по торцу, наружному диаметру или отверстию на участке входа резца целесообразно снижать на 20–30%, чтобы предотвратить сколы режущих кромок.

Скорость резания рассчитывают по формулам теории резания с учетом экономической стойкости режущего инструмента. Рекомендуемые периоды стойкости резцов на черновых операциях, выполняемых на станках с ЧПУ, составляют 35–45 мин для сборных резцов с неперетачиваемымн пластинками твердого сплава, 30 мин для резцов из быстрорежущей стали, 20- 35 мин для расточных и проходных резцов с напаянными пластинками твердого сплава. Допускаемый износ h_з для неперетачиваемых пластин – 1,8 мм; для резцов с напаянными пластинками твердого сплава – 1–1,4 мм, для резцов из быстрорежущей стали – 1,5-2,0 мм.

При черновой обработке торцов следует изменять частоту вращения шпинделя, если скорость резания отклоняется от выбранных значений больше чем на 20%

Режимы резания для чистовой обработки основных форм поверхностей назначают с учетом требований к шероховатости и точности соответствующих поверхностей. При этом подачу, обеспечивающую требуемое уточнение заготовки, определяют при однопроходном точении заготовки по известной формуле

где D_дет – допустимая погрешность заготовки после обработки, мм; D _заг – погрешность исходной заготовки, мм; j – жесткость системы СПИД, кгс/мм.

Расчет подачи s, обеспечивающей требуемую шероховатость, производят по формуле

где Сн – постоянный коэффициент, – наибольшая высота неровностей поверхности, мкм; – радиус при вершине резца, мм; – поправочный коэффициент; t– глубина резания, мм; j, j₁ – главный и вспомогательный углы резца в плане, град; v– скорость резания, м/мин; a_н, х_н, z_н, U_н, n_н –показатели степени.

Рассчитанные по приведенным формулам подачн не должны быть меньше наименьшей минутной подачи на станке S_{м min} и наименьшей подачи S_{рез min} обеспечивающей нормальное резание

Скорость резания для чистовой обработки определяется также, как и для черновой Однако при обработке материалов, образующих нарост на резцах, учитывают влияние скорости резания на шероховатость обрабатываемой поверхности. Рекомендуемые периоды стойкости для различных типов чистовых резцов совпадают с аналогичными типами черновых резцов Допускаемый износ для неперетачиваемых пластин и резцов с напаянными пластинками твердого сплава – 0,4–0,6 мм, для резцов из быстрорежущей стали – 0,5 мм

Запись технологической и геометрической информации, необходимой для разработки управляющей программы, а также данных, используемых для настройки станка с ЧПУ, производится в специальных формах технической документации. Основной формой технологической документации считается операционная карта, карта эскизов, карта кодирования информации, карта оснастки.

Проверку программы производят последовательно в несколько этапов. Вначале программа отрабатывается на станке без установки инструмента, оснастки и заготовки. Затем производится пробная обработка заготовки с применением оснастки и инструмента На заключительном этапе окончательно обрабатывается контрольная заготовка.

Отработка программ на первом этапе производится для выявления грубых ошибок расчета и проверки правильности записи программы на программоноситель. В этом случае рабочие органы станка с помощью ручного перемещения устанавливаются в исходные точки, после чего включается автоматическое управление станком по программе. Правильность движения рабочих органов станка контролируется показаниями лимбов всех координат в соответствующих контрольных точках программы и точностью возвращения их в исходную точку (допускаемое расхождение 1– 2 импульса),

При такой проверке чаще всего выявляются три вида ошибок:

1) движение рабочих органов станка по координатам в сторону, противоположную указанной в карте;

2) показания лимбов не соответствуют данным РТК в некоторых контрольных точках, а возвращение в исходную точку проходит правильно;

3) рабочие органы станка не возвращаются в исходную точку, и показания лимбов в контрольных точках не соответствуют данным РТК.

Ошибки 2-го вида возникают чаще всего при неправильном расчете координат опорных точек. После обнаружения такой ошибки необходимо проверить расчет и исправить прораммоноситель. Причинами ошибки 3-го вида могут быть неправильный расчет координат опорных точек, погрешности кодирования информации и перфорации. В этом случае необходимо найти ошибку и исправить программоноситель. После исправления всех ошибок следует повторить проверку отработки программы не менее трех раз.