Позиционирующая оснастка, приспособления

Технологическая оснастка

Существует класс технических систем средства технологического оснащения ‑ совокупность орудий производства, необходимых для осуществления технологического процесса, обеспечения требуемого качества изделий и эффективности производства.

Технологическая готовность производства (изделий) предполагает наличие (у изготовителя) конструкторской документации (КД), технологической документации (ТД) и средств технологического оснащения (СТО). КД – это описание того, ЧТО изготавливать, ТД – КАК изготавливать, СТО – ЧЕМ изготавливать.

Средства технологического оснащения подразделяются на следующие подклассы:

- технологическое оборудование (станки, кузнечно-прессовое оборудование, литейные машины и т.д.);

- средства механизации и автоматизации технологических процессов (вспомогательных операций и переходов);

- технологическая оснастка.

Технологическая оснастка ‑ это средства технологического оснащения, дополняющие технологическое оборудование для выполнения определенной части технологического процесса. Изделие – это уникальный объект. Технологическое оборудование – объекты универсальные. Между универсальным и уникальным объектами должен быть адаптер. Этим адаптером и является оснастка (Рисунок 1.1).

Рисунок 1.1

Оснастка устанавливается на технологическое оборудование, а изделие находится в оснастке. «Находится в» означает, что изделиелибо устанавливается в оснастке относительно оборудования, либо формуется в этой оснастке, либо и устанавливается, и формуется.

Технологическая оснастка – очень широкий класс объектов. Среди них можно выделить две категории наиболее распространенных представителей: оснастка формующая (формообразующая) и оснастка позиционирующая.

К формующей оснастке относятся штампы и литьевые формы. Функциональными являются внутренние поверхности, посредством этих поверхностей формируется геометрия изделия либо давлением, либо посредством заливки с последующим отвердеванием материала изделия в жидком агрегатном состоянии.

К позиционирующей оснастке относятся различные приспособления, обеспечивающие установку и закрепление деталей для выполнения над ними различных технологических операций – обработки резанием, сборки и др. Функциональными являются установочные поверхности.

Затраты, связанные с проектированием и изготовлением технологической оснастки и инструмента могут достигать до 70% трудозатрат на постановку в производство новых изделий.

Виды приспособлений

Для снижения затрат на проектирование и изготовление приспособлений их конструкции систематизируются, унифицируются, нормализуются. Существуют универсальные приспособления, универсальные комплекты деталей, из которых можно быстро собрать оснастку для какой-либо операции. Вместе с тем, многие объекты производства требуют применения специальных конструкций приспособлений.

В зависимости от степени универсальности выделяют несколько классов приспособлений. При выборе оснастки руководствуются правилом «от минимума затрат для подготовки производства к вынужденному максимуму». В рамках укрупненного технологического планирования для выбора вида оснастки можно воспользоваться приведенной ниже диаграммой (Рисунок 3.1).

1. Универсальные безналадочные приспособления (УБП). Например:3-х и 4-х кулачковые патроны, поводковый патрон, машинные тиски. Изготавливаются централизованно. Рекомендуются к применению при всех типах производства.

2. Универсально-наладочные приспособления (УНП). Например: 3-х кулачковые патроны со сменными кулачками, машинные тиски со сменными губками, планшайбы со сменными прихватами, делительные головки к фрезерным станкам. Изготовляются централизованно или на заводе-потребителе. Применяются в серийном и массовом типе производства.

3. Унивесально-сборные приспособления (УСП), собираемые из комплекта стандартных деталей, изготовляемых централизованно. Сборка приспособления ведется без чертежа, непосредственно для данной операции. После выполнения операции приспособление разбирается. Применяются в единичном и мелкосерийном производстве.

4. Сборно-разборные приспособления (СРП). Собираются из комплекта стандартизованных и не стандартизованных деталей самим рабочим на рабочем месте для каждой операции, после выполнения которой разбираются. По мере необходимости нестандартные детали проектируются и изготовляются для новых деталей. Применяются в серийном производстве для групп деталей в рамках унифицированных технологических процессов.

Рисунок 3.1

5. Специализированные наладочные приспособления (СНП). Их также называют групповыми или быстропереналаживаемыми приспособлениями. Проектируются на заводе-потребителе для групп деталей, технологические процессы для которых разработаны на основе унифицированных технологий. Применяются в условиях единичного и серийного производства.

6. Неразборные специальные приспособления (НСП). Проектируются на заводе-потребителе и применяются только для одной детале-операции. То есть изготавливаются один раз и после завершения операции (цикла) больше не используются. Применяются в массовом и крупносерийном производстве. В средне и мелкосерийном используются при отсутствии возможности использования приспособлений других систем.

Схема базирования

Схема базирования (СБ) – схема расположения опорных точек на базах (ГОСТ 21495-76). То есть, в информационном плане СБ можно рассматривать как некий объект, свойствами которого являются 3 поверхности и 6 точек. Причем каждая точка принадлежит одной из поверхностей и каждой поверхности принадлежит хотя бы одна точка.

Формально задачу размещения точек можно решить при помощи перебора:

1) Точки произвольным образом располагаются по поверхностям;

2) В каждой точке строится вектор нормали к поверхности;

3) Векторы группируются в пары таким образом, чтобы в результате векторных произведений пар получилась плоская система трех векторов, из которых, по крайней мере, два не коллинеарные.

Если п.3 не выполняется, следует перераспределить опорные точки (п.1).

Полученная таким образом схема базирования будет правильной геометрически. однако необходимо, чтобы связи точек с базами были еще и надежны физически. Поэтому опорные точки следует распределять с учетом ограничиваемых степеней свободы, учитывать качество этих степеней (вращательные и поступательные).

Для ограничения одной поступательной степени свободы достаточно одной единственной точки (точка 6, Рисунок 5.1). Физически это означает, что против этой базы необходимо разместить только точечный упор. Такую базу, ограничивающую только одну степень свободы, называют опорной.

Если база цилиндрическая, она может ограничивать две поступательные степени свободы ‑ по двум взаимно перпендикулярным направлениям. Для этого на ней необходимо разместить две опорные точки. Точки 4, 5 (Рисунок 5.1б) ограничивают поступательные перемещения вдоль осей X и Z соответственно. Такая база называется двойной опорной.

Для точечных упоров достаточно поверхности минимальных размеров. Соответственно, в качестве опорной и двойной опорной баз выбираются поверхности с минимальными размерами.

Вращательная степень свободы ограничивается парой точек. Чем дальше они расположены друг от друга, тем выше качество установки. Поэтому для ограничения вращательных степеней свободы следует использовать базы с большими размерами.

Боковая грань прямоугольника (Рисунок 6.1а) длинная, но узкая. Широко расставить на ней можно только одну пару опорных точек и. Соответственно, качественно ограничить можно только одну вращательную степень свободы (вращение в плоскости прямых 1 и 2). База, ограничивающая одну вращательную степень – направляющая база. Очевидно, что вместе с вращательной степенью свободы она ограничивает и поступательную (всякая опорная точка, как минимум, ограничивает перемещение). Поэтому всего степеней свободы – две и опорных точек тоже две. Однако важным в данном случае является ограничение вращательной степени. Отличительная черта направляющей базы – она должна быть длинной. В теории базирования говорится, что в качестве направляющей базы следует выбрать базу, «развитую хотя бы в одном направлении». Другими словами, среди базовых поверхностей следует выделить «длинную» грань. Эта грань может быть направляющей базой.

а) б)

Рисунок 6.1

Нижняя грань прямоугольника (Рисунок 6.1а) и длинная, и широкая. Поэтому на ней опорные точки можно расставить «далеко друг от друга» в двух направлениях (прямые 1 и 2). Соответственно, ограничиваются две вращательные степени свободы (относительно этих направлений). Цилиндр (Рисунок 6.1б) – длинный. На нем опорные точки можно расставить «далеко» только в одном направлении ‑ вдоль оси. Однако, поскольку цилиндр – поверхность второго порядка, также «далеко» можно расставить еще две пары опорных точек. Каждая пара ограничивает вращательную степень. В сумме – две вращательные, как и у нижней грани параллелепипеда (Рисунок 6.1а).

Таким образом, для ограничения двух вращательных степеней следует выбирать базу, позволяющую «широко» расставить опорные точки в двух направлениях либо две пары опорных точек. Такая база называется наиболее развитая.

Наиболее развитая база имеет особое значение. Во-первых, такая база только одна: вращательных степеней всего три, и если одна база ограничивает две из них, то любой другой остается только одна вращательная степень и наиболее развитой она быть не может. Во-вторых, наличие наиболее развитой базы обязательно [2].

Если наиболее развитая база – плоскость, она является установочной базой (Рисунок 6.1а). Кроме двух вращательных степеней свободы (относительно направлений 1 и 2, Рисунок 6.1а), установочная база ограничивает одну поступательную степень (перпендикулярно направлениям 1 и 2). Таким образом, на установочной базе размещаются три опорные точки.

Если наиболее развитая база цилиндрическая поверхность – этабаза является двойной направляющей (Рисунок 6.1б). Кроме двух вращательных степеней свободы (относительно направления 2 и вертикальной оси), двойная направляющая ограничивает две поступательные степени (вдоль направления 2 и вертикали). На двойной направляющей базе размещаются четыре опорные точки.

Таким образом, каждая из трех баз, по которым происходит установка детали, имеет определенный статус. Таких статусов пять – установочная база, направляющая база, опорная база, двойная направляющая база, двойная опорная база. Каждому статусу соответствует определенное функциональное назначение, выражаемое количеством опорных точек. С другой стороны, чтобы получить тот или иной статус база должна обладать определенными геометрическими свойствами. Функциональная нагрузка и геометрические особенности баз приведены ниже (Таблица 6.1)

Таблица 6.1 ‑ Геометрия и функциональное назначение баз

Статус базы	Геометрия	Функция
Форма	Размерная характеристика	Количество опорных точек базы	Степени свободы
Поступательные	Вращательные
Двойная направляющая	Цилиндр	Длина превосходит размеры др. баз
Установочная	Плоскость	Габариты превосходят габариты др. баз
Направляющая	Плоскость	Длинная
Двойная опорная	Цилиндр	Минимальная длина (по сравнению с др. базами)
Опорная	Цилиндр, плоскость	Минимальные размеры (по сравнению с др. базами)

Таким образом, схему базирования можно трактовать как совокупность базовых поверхностей со статусами.

Схема установки

Схема установки – это часть структуры приспособления, включающая базовые поверхности и установочные элементы, а также сопряжения установочных элементов с базовыми поверхностями.

Для разработки программных средств синтеза структура объекта проектирования представляется совокупностью компонент. Компонент – это абстрактных элемент, обозначающий класс элемента и наделенный его интерфейсными свойствами.

Классов установочных элементов приспособлений можно выделить много. Основные классы ‑ опора, упор, палец, призма установочная. Этими классами можно ограничиться в рамках данного проекта.

Основное классовое свойство установочного элемента – установочная поверхность. Именно она сопрягается с базой объекта оснащения. Поэтому отношения сопряжения между установочными поверхностями элементами и базами определяют, в основном, структуру приспособления. Далее (Таблица 8.1) приведены основные классы установочных элементов.

Таблица 8.1 – Основные классы установочных элементов

Класс установочных элементов	Установочная поверхность	Внешний вид и установочные поверхности
опора	Плоскость, горизонтальная
Упор	Плоскость вертикальная
Палец	Цилиндр, внутренний (отверстие)
Призма установочная	Две сходящиеся плоскости

Статус базы и ее форма практически полностью определяют классы установочных элементов, которые следует применять для ее установки. Далее приведены правила, устанавливающие соответствия между статусом и формой базы и классами применяемых элементов, а также типовые схемы установки (Рисунок 8.1).

Установочная база – плоскость, ориентирована, как правило, горизонтально. Соответственно, необходимы элементы с горизонтальной установочной поверхностью. Таковыми являются элементы класса «опора» (Рисунок 8.1). Установочная база устанавливается на три опорных точки. Соответственно, необходимы три опоры (Рисунок 8.1а).

Двойная опорная база – цилиндрическая поверхность, две опорных точки. Если эта поверхность внешняя, для нее подойдет элемент класса «призма установочная». У каждой призмы две установочные плоскости. Контакт внешней цилиндрической поверхности с плоскостью – прямая. Если толщина призмы мала по сравнению с длинной базы, эти контакты можно считать точечными. Таким образом, призма установочная обеспечивает для внешней цилиндрической поверхности две опорные точки (Рисунок 8.1г).

Если двойной опорной базой является внутренняя цилиндрическая поверхность, установку следует производить на элемент класса «палец» (Рисунок 8.1а отверстие слева).

Двойная направляющая база может рассматриваться как две двойные опорные. Соответствующим образом следует планировать ее установку(Рисунок 8.1д).

Направляющая база – плоскость, возможна только в схемах базирования с установочной базой. Установочная база горизонтальна, тогда направляющая – вертикальна (или почти вертикальна). Для вертикальной плоскости следует применять упор – элемент с вертикальной установочной плоскостью (Таблица 8.1). Поскольку опорных точек на направляющей базе две, то и упоров должно быть два (Рисунок 8.1б, вертикальная плоскость справа).

Опорная база, плоская поверхность. Такая база, в некоторой степени, аналогична базе направляющей. Соответственно, для ее установки подходит элемент класса «упор». Однако, поскольку опорной базе соответствует только одна опорная точка, то и упор должен быть только один (Рисунок 8.1б, вертикальная плоскость слева).

Опорная база, цилиндрическая поверхность. Такая база аналогична двойной опорной базе. Соответствен, для ее установки также необходим палец. Однако опорная точка на опорной базе только одна. Соответственно, палец должен быть, так сказать, неполноценный. Таким неполноценным пальцем является «палец срезанный» (Рисунок 8.1а, отверстие справа).

При установке детали по отверстиям, возможна ситуация, когда установка на неподвижные пальцы невозможна физически. Например, если оси базовых отверстий непараллельны (Рисунок 8.1в). В такой ситуации один из пальцев должен быть подвижным (Рисунок 8.1, внизу справа).

а) б) в) г) д)

Рисунок 8.1

Используя предложенные правила можно разработать программные средства, которые для каждой базы выберут элементы определенного класса, вставят их геометрическую модель приспособления и сопрягут их установочные поверхности с базой.

Типовые схемы установки

Типовой является схема установки, сформированная с учетом геометрии детали, вида обработки и др. особенностей. Типовые схемы позволяют повысить уровень автоматизации проектирования.

Технологическая оснастка

Существует класс технических систем средства технологического оснащения ‑ совокупность орудий производства, необходимых для осуществления технологического процесса, обеспечения требуемого качества изделий и эффективности производства.

Технологическая готовность производства (изделий) предполагает наличие (у изготовителя) конструкторской документации (КД), технологической документации (ТД) и средств технологического оснащения (СТО). КД – это описание того, ЧТО изготавливать, ТД – КАК изготавливать, СТО – ЧЕМ изготавливать.

Средства технологического оснащения подразделяются на следующие подклассы:

- технологическое оборудование (станки, кузнечно-прессовое оборудование, литейные машины и т.д.);

- средства механизации и автоматизации технологических процессов (вспомогательных операций и переходов);

- технологическая оснастка.

Технологическая оснастка ‑ это средства технологического оснащения, дополняющие технологическое оборудование для выполнения определенной части технологического процесса. Изделие – это уникальный объект. Технологическое оборудование – объекты универсальные. Между универсальным и уникальным объектами должен быть адаптер. Этим адаптером и является оснастка (Рисунок 1.1).

Рисунок 1.1

Оснастка устанавливается на технологическое оборудование, а изделие находится в оснастке. «Находится в» означает, что изделиелибо устанавливается в оснастке относительно оборудования, либо формуется в этой оснастке, либо и устанавливается, и формуется.

Технологическая оснастка – очень широкий класс объектов. Среди них можно выделить две категории наиболее распространенных представителей: оснастка формующая (формообразующая) и оснастка позиционирующая.

К формующей оснастке относятся штампы и литьевые формы. Функциональными являются внутренние поверхности, посредством этих поверхностей формируется геометрия изделия либо давлением, либо посредством заливки с последующим отвердеванием материала изделия в жидком агрегатном состоянии.

К позиционирующей оснастке относятся различные приспособления, обеспечивающие установку и закрепление деталей для выполнения над ними различных технологических операций – обработки резанием, сборки и др. Функциональными являются установочные поверхности.

Затраты, связанные с проектированием и изготовлением технологической оснастки и инструмента могут достигать до 70% трудозатрат на постановку в производство новых изделий.

Позиционирующая оснастка, приспособления

Одним из наиболее распространенных представителей класса «позиционирующая оснастка» являются приспособления ‑ устройства, предназначенные для установки и закрепления деталей.

Область применения ‑ обработка резанием, сборка, сварка и др. технологические операции, при выполнении которых необходимо обеспечить строго определенное положение детали. Следует отметить также, что установка и закрепление происходят при сборке различных механических систем: одна деталь устанавливается относительно другой, а затем закрепляется.

Деталь, которая устанавливается и закрепляется – объект оснащения.

В качестве примера рассматривается приспособление для обработки резанием. Пусть имеется деталь Д (Рисунок 2.1, а). В детали необходимо прорезать уступ шириной B и глубиной h. Уступ можно вырезать инструментом И (Рисунок 2.1, б).

а) б)

Рисунок 2.1

Инструмент И закрепляется в станке (Рисунок 2.2, а). Деталь тоже надо закрепить на станке. Причем сделать это надо так, чтобы пересечение инструмента и детали имело размеры паза. Для этого н а столе станка крепится опора О так, чтобы ее верхняя грань находилась на расстоянии H-h от нижнего торца инструмента (Рисунок 2.2,б). Там же на столе устанавливается упор У на расстоянии В от внешнего края инструмента. Любая деталь, аналогичная детали Д, устанавливается поверхностью Б1 на опору О и упирается поверхностью Б2 в упор У. Инструмент И при этом вырежет в детали именно такой паз, который нужен.

Поверхности детали, которыми она устанавливается в приспособление, называются «базы». В приведенном примере (Рисунок 2.1,а) базами являются поверхность Б1, которой деталь ложится на опору и Б2, которой деталь упирается в упор.

Опора О и упор У ‑ установочные элементы. Поверхности установочных элементов (Рисунок 2.2,а), на которые устанавливается (УП1) деталь и в которые она упирается (УП2) называются «установочные поверхности».

а) б)

Рисунок 2.2

Кроме установочных элементов в приспособлении необходимы элементы закрепляющие. В рассмотренном примере они не показаны, а следующем (Рисунок 2.3) имеется рычажный прижим.

Установочные и закрепляющие элементы непосредственно реализуют функцию приспособления. Поэтому эти элементы называются функциональными.

Функциональные элементы объединяются корпусом. На нем собираются все детали приспособления, и оно устанавливается на оборудование именно при помощи корпуса.

Установочные элементы, закрепляющие элементы и корпус (Рисунок 2.3) – основные структурные элементы приспособления. Кроме них могут быть различные вспомогательные элементы, например, переходные, соединяющие функциональные элементы с корпусом.

Рисунок 2.3

Виды приспособлений

Для снижения затрат на проектирование и изготовление приспособлений их конструкции систематизируются, унифицируются, нормализуются. Существуют универсальные приспособления, универсальные комплекты деталей, из которых можно быстро собрать оснастку для какой-либо операции. Вместе с тем, многие объекты производства требуют применения специальных конструкций приспособлений.

В зависимости от степени универсальности выделяют несколько классов приспособлений. При выборе оснастки руководствуются правилом «от минимума затрат для подготовки производства к вынужденному максимуму». В рамках укрупненного технологического планирования для выбора вида оснастки можно воспользоваться приведенной ниже диаграммой (Рисунок 3.1).

1. Универсальные безналадочные приспособления (УБП). Например:3-х и 4-х кулачковые патроны, поводковый патрон, машинные тиски. Изготавливаются централизованно. Рекомендуются к применению при всех типах производства.

2. Универсально-наладочные приспособления (УНП). Например: 3-х кулачковые патроны со сменными кулачками, машинные тиски со сменными губками, планшайбы со сменными прихватами, делительные головки к фрезерным станкам. Изготовляются централизованно или на заводе-потребителе. Применяются в серийном и массовом типе производства.

3. Унивесально-сборные приспособления (УСП), собираемые из комплекта стандартных деталей, изготовляемых централизованно. Сборка приспособления ведется без чертежа, непосредственно для данной операции. После выполнения операции приспособление разбирается. Применяются в единичном и мелкосерийном производстве.

4. Сборно-разборные приспособления (СРП). Собираются из комплекта стандартизованных и не стандартизованных деталей самим рабочим на рабочем месте для каждой операции, после выполнения которой разбираются. По мере необходимости нестандартные детали проектируются и изготовляются для новых деталей. Применяются в серийном производстве для групп деталей в рамках унифицированных технологических процессов.

Рисунок 3.1

5. Специализированные наладочные приспособления (СНП). Их также называют групповыми или быстропереналаживаемыми приспособлениями. Проектируются на заводе-потребителе для групп деталей, технологические процессы для которых разработаны на основе унифицированных технологий. Применяются в условиях единичного и серийного производства.

6. Неразборные специальные приспособления (НСП). Проектируются на заводе-потребителе и применяются только для одной детале-операции. То есть изготавливаются один раз и после завершения операции (цикла) больше не используются. Применяются в массовом и крупносерийном производстве. В средне и мелкосерийном используются при отсутствии возможности использования приспособлений других систем.