Токарные автоматы и полуавтоматы

1.5.2.1. Характеристика токарных автоматов и полуавтоматов

Большую группу станков в производстве представляют токарные автоматы и полуавтоматы. Они делятся на типы в зависимости от универсальности, расположения и количества шпинделей, вида обрабатываемой заготовки и способа обработки.

 По универсальности они делятся на специализированные и специальные. На специализированных станках обрабатывается определенная группа деталей. При переходе от обработки одного наименования детали к другому производится переналадка, заключающаяся в  замене кулачков, резцедержателей и режущих инструментов. Специальные станки предназначаются для обработки одной детали и при необходимости переналадки требуют переделки основных узлов.

По расположению шпинделей автоматы разделяются на вертикальные и горизонтальные. По количеству шпинделей: на одношпиндельные и многошпиндельными. Последние могут быть четырех-, шести- и восьмишпиндельные. По виду обрабатываемых заготовок станки могут быть прутковыми (заготовка из прутка) и патронными (штучная заготовка).

По способу обработки одношпиндельные станки подразделяются на фасонно-отрезные, продольного точения, многорезцовые и гидрокопировальные. На фасонно-отрезных производится фасонная обработка и отрезка коротких деталей при поперечном перемещении резцов. На автоматах продольного точения обрабатываются детали, изготовленные из прутка диаметром от 4 до 25 мм. Эти детали обрабатываются последовательным чередованием продольного перемещения бабки с прутком и поперечным перемещением резцов. На этих станках можно обрабатывать ступенчатые, конические и фасонные поверхности, нарезание резьбы, сверление отверстий.

Многорезцовые полуавтоматы применяются для обработки сравнительно простых заготовок, полученных ковкой, штамповкой или литьем, большим количеством резцов, установленных на продольном и поперечном суппортах. Применяют при черновой обработке с целью максиимального сокращения времени на обработку.

Гидрокопировальные полуавтоматы применяются для обработки в центрах различных деталей с простым и сложным криволинейным профилем из штучных заготовок, полученных ковкой, штамповкой или литьем. На этих станках может осуществляться как черновая, так и чистовая обработка.

На многошпиндельных горизонтальных автоматах и полуавтоматах обрабатываются детали мелких и средних размеров диаметром 125-250 мм типа валов и втулок.

На многошпиндельных вертикальных станках обрабатываются детали средних размеров типа дисков.

Наиболее предпочтительно на многошпиндельных станках обрабатывать детали, позволяющие произвести обработку за одну установку с одной стороны, при необходимости обработки детали с двух сторон применяют двухиндексные станки, то есть одна половина позиции настроена на обработку одной стороны детали, вторая половина - на обработку второй стороны детали. При этом количество рабочих позиций при каждой индексации должно быть равным.

При назначении вида токарных станков необходимо руководствоваться следующими положениями.

1. Выбор станка определяется типом детали, габаритами детали, объемом механической обработки и нормативным временем выполнения операции.

2. С целью формирования обработки с учетом принципа максимальной параллельной или параллельно-последовательной концентрации переходов сначала рассматривается возможность обработки деталей на многошпиндельных станках,  а потом на одношпиндельных станках.

3. Для одношпиндельных станков при относительно малом нормативном времени выбирают многорезцовые и гидрокопировальные станки. При относительно большом нормативном времени - токарно-револьверные автоматы и полуавтоматы.

4. При невозможности отнесения обработки детали к определенному виду уже имеющихся токарных станков формируют обработку на специальном станке (одной из разновидностей агрегатных станков).

5. Определяется четкое количество позиций в установе, что является основным признаком выбора конкретной модели станка.

6. На суппортах одной позиции размещать технологические переходы одного вида обработки (черновые или получистовые  или чистовые).

7. По возможности равномерно распределять технологические переходы по позициям, установам и операциям.

8. При выборе токарно-револьверного станка нужно помнить, что основные технологические переходы выполняются револьверной головкой.

9. Особенностью проектирования обработки на многошпиндельных горизонтальных станках является применение фасонных резцов с поперечного суппорта для обработки основных наружных цилиндрических поверхностей.

 

Технологичность конструкции деталей, обрабатываемых на токарных автоматах и полуавтоматах.

1. Поверхности детали считаются технологичными, если обрабатываются инструментами с применением направлений рабочих подач, свойственных выбранному оборудованию. В качестве примеров нетехнологичных поверхностей можно привести примеры, показанные на рис. 1.25.

Рис. 1.25. Примеры нетехнологичных элементов детали: а) наличие наружной закрытой поверхности, б) наличие внутреннего кармана

 

        

2. Совокупности смежных поверхностей считаются технологичными, если они одинакового качества или разделены канавкой (рис.1.26).

3. Точные внутренние поверхности должны быть сквозными или должны допускать перебег инструмента при обработке (рис.1.27).

 

 

4. Выбор того или иного вида станка предполагает и выбор баз при обработке, простановку размеров на чертеже. Обработка детали на многошпиндельном горизонтальном прутковом автомате предполагает простановку размера от правого торца, то же и при обработке детали из прутка на токарно-револьверном автомате.

5. Поверхности, обрабатываемые в одном этапе, должны быть связаны между собой размерами. Поверхности, обрабатываемые в разных и притом соседних этапах (разного вида обработка), должны быть связаны между собой не более чем одним размером (рис.1.28).

 

Автоматические линии

 

Для дальнейшего повышения производительности, снижения себестоимости обработку производят на автоматических линиях. В зависимости от характера применяемого оборудования структура автоматических линий может быть различной:

- линии из универсальных станков;

- линии из агрегатных станков;

- линии из специальных станков;

- линии, включающие агрегаты для литья, термической обработки, приборы для контроля и сортировки, устройства для окраски и упаковки;

- роторные автоматические линии.

По характеру загрузки оборудования автоматические линии подразделяются на линии с жесткой и гибкой межагрегатной связью.

При жесткой связи между оборудованием обрабатываемые детали передаются непосредственно от одного станка к другому при помощи транспортного устройства жесткого типа. Межагрегатные заделы отсутствуют, все станки работают в едином ритме, то есть по времени синхронизированы. Применяются для обработки крупных корпусных деталей.

Основным недостатком таких линий является то, что остановка любого станка вызывает простой всей линии.

Автоматические линии с гибкой связью – это линии, в которых межагрегатные накопители заделов устанавливаются между отдельными участками или между всеми агрегатами. Линии с гибкой межагрегатной связью более производительны, так как простои оборудования, связанные с выходом из строя одного из станков, минимальны. Данные линии называют линиями несинхронного типа,  то есть время обработки на каждом оборудовании может быть несинхронизировано:

t шт < t в.

При выходе из строя одного участка или оборудования вся линия продолжает обработку детали, расходуя запас заготовок из магазина накопителя.

В отдельных случаях увеличение производительности, особенно для трудоемких обработок, может осуществляться за счет организации нескольких потоков. Для таких линий или отдельных агрегатов характерно:

t шт > t в.

По расположению транспортирующего устройства для  передачи детали с одного оборудования  на и другое автоматические линии подразделяют на линии со сквозным и несквозным перемещением детали. При сквозном перемещении детали проходят через рабочую зону станка. На этих линиях обрабатывают крупные корпусные детали, закрепленные в приспособлениях-спутниках. При несквозном перемещении детали проходят в стороне от рабочей зоны станка. В этих линиях используют дополнительные устройства для установки деталей в приспособление и удаления из него. Линии с несквозным перемещением заготовок чаще встречаются при обработке деталей типа тел вращения.

По характеру установки заготовок автоматические линии делятся на спутниковые и безспутниковые.

На спутниковых  автоматических линиях детали устанавливают на приспособления-спутники, которые с помощью транспортных средств передаются вместе с деталью от позиции к позиции. На последней позиции заготовки снимаются со спутников и передаются на первую позицию для установки на него следующей детали. На линиях этого типа заготовки обрабатывают с одной установки при одной схеме базирования. Спутниковые линии применяются для обработки сложных деталей, неудобных для закрепления в стационарных приспособлениях.

В линиях безспутникового типа детали закрепляются в стационарных приспособлениях, установленных на каждом технологическом оборудовании. В качестве баз принимают наиболее устойчивые поверхности. Для корпусных деталей часто используется установка на плоскость и два отверстия. Устанавливаются заготовки в  приспособления и удаляются из них с помощью различных по конструкции автооператоров.                                                                      

Перечисленные виды автоматических линий являются линиями периодического действия, в которых детали передаются от одного станка к другому и во время своего перемещения не обрабатывается. Есть линии, когда детали во время перемещения обрабатываются - это автоматические линии непрерывного действия. К ним относятся роторные автоматические линии. Роторная линия состоит из рабочих роторов, ротора подающего заготовки и транспортных роторов. На рабочем роторе обрабатываются параллельно несколько деталей, в каждой конструктивной позиции выполняется одна и та же обработка. В каждой конструктивной позиции выполняется один установ, состоящий из одной технологической позиции. Структура операции –   n -поточная обработка: в каждом потоке – один установ, а в установе - одна позиция.

Обрабатывающий инструмент в каждой позиции имеет индивидуальный привод и в процессе обработки перемещается совместно с обрабатываемой деталью. Транспортные роторы предназначены для передачи с одного рабочего ротора на другой. На них смонтированы приспособления для захватов.

Особенность роторной линии - независимость производительности рабочего ротора от длительности выполнения установа. Необходимая и одинаковая производительность для всех рабочих роторов обычно достигается за счет разного числа конструктивных позиций и инструментов на каждом роторе. Чем меньше длительность выполнения установа, тем меньше требуется количества конструктивных позиций:

                                                 n конс.поз = t уст / t в.                                                               (1.3)

 

Автоматические роторные линии наименее целесообразны при обработке резанием, это объясняется недостаточной жесткостью системы привода рабочего движения.

Предпочтительные области применения роторных автоматических линий.

1. При получении заготовок прессованием, спеканием из пластических масс.

2. Для выполнения сборочных операций: запрессовки, упаковки, свертывания и т.д.

3. Для выполнения термических и термохимических операций: нагрев, отжиг, закалка, сушка, промывка и т.д.

4. Для выполнения различных видов контрольных операций: измерения геометрических параметров, физико-механических параметров и т.д.

5. При механической обработке резанием роторные линии находят применение для обработки деталей небольших размеров при следующих условиях:

- при большом объеме выпуска деталей (массовое производство);

- при обработке небольшим количеством инструментов, желательно одного вида.

Производительность автоматических линий. При создании автоматической линии необходимо определить ее структуру в зависимости  от связи между оборудованием, поточности и количества участков. Одной из важных характеристик  создания совершенного варианта автоматической линии является производительность.

Фактическая производительность реальной машины в реальных условиях определяется по формуле

 

                                           Q = 1 / (t p + t x + t n),                                            (1.4)

 

где     t p -основное время работы оборудования; t x - время холостых перемещений оборудования во время работы (цикловые потери); t n - потери времени по организационным причинам: из-за подналадки станков, смены и регулировки инструментов (внецикловые потери).

Различают понятия:

- цикловой производительности, которая характеризует возможность выпуска продукции на линии при реальном ее конструктивном исполнении и условии безперебойной работы:

 

                                              Q ц=1 / (t p + t x);                                             (1.5)

 

- технологической производительности, характеризующей возможность выпуска продукции при условии бесперебойной работы, когда все холостые перемещения перекрываются основным временем работы оборудования (барабанно-фрезерные станки, роторные автоматические линии):

 

                                                   Q т=1 / t p _.                                               (1.6)

Надо стремиться к такой концентрации переходов и такой последовательности выполнения операций, чтобы обеспечивалась технологическая производительность.

При проектировании автоматических линий возникает вопрос о её целесообразности по сравнению с поточной линией, поэтому, рассматривая разные структуры автоматических линий, будем оценивать и поточную линию.

Рассмотрим, как определяется производительность для различных структур автоматических линий. Формулу для определения производительности автоматических линий, включая и поточную линию, можно представить:

 

                            ;                        (1.7)

 

где      q - количество станков в линии; n y - количество участков с жесткой связью между оборудованием; Δ - средний коэффициент потерь, Δ = 0…1.

При накопителе большой емкости, который полностью компенсирует потери соседнего участка,  Δ=0. При отсутствии накопителя, то есть в линиях с жесткой связью,  Δ=1, в остальных случаях – 0 < Δ <1.

Поточная линия. Поточная линия предусматривает независимую друг от друга работу оборудования при наличии достаточного объема межоперационных заделов заготовок, это означает, что n y= q,  Δ=0, поэтому, подставляя эти значения в формулу (1.6), получим

.

 

Производительность поточной линии будет определяться производительностью последнего технологического агрегата.

Автоматическая линия с жесткой межагрегатной связью характеризуется значениями   n y=1 и Δ=1, поэтому формулу (1.6) можно представить

 

.

 

В этих линиях, по сравнению с поточной, внецикловые потери каждого станка возрвстают в q  раз, отсюда вывод:  при компоновке автоматических линий из тех же станков, что и поточная линия, она будет менее эффективна, чем поточная. Чтобы автоматическая линия была эффективной, в качестве оборудования надо выбирать более производительные станки, чем на поточной линии.

Автоматическая линия с гибкой межагрегатной связью, где число участков равно числу станков n y= q, а между соседними станками имеются накопители конечной емкости, производительность равна

 

.

 

Подставляя значения Δ, отличные от 0 и 1, и n y, можно получить значения Q для автоматической линии, состоящей из нескольких участков, и тем самым оценить полученный вариант по производительности.

 

Технологичность конструкции деталей, обрабатываемых на АЛ. Конструкция детали должна обеспечивать:

- возможность обработки за минимальное количество установок;

- устойчивость базовых поверхностей;

- достаточную точность размеров и однородность материала заготовки;

- возможность простой ориентации детали для размещения в бункерах или для захвата автооператором;

- возможность применения многолезвийных (комбинированных) инструментов;

- максимальное приближение заготовки по форме к детали.

 

Требования к режущем инструменту. Инструмент должен:

- обеспечивать большую размерную стойкость, иметь повышенную точность по размерам, повышенное качество материала;

- иметь способность настройки вне станка и на станке;

- иметь элементы, улучшающие отвод стружки или производящие стружколомание;

- иметь повышенную жесткость;

- обеспечивать возможность обработки сразу нескольких поверхностей;

- иметь способность к быстрой переналадке;

- оснащаться неперетачиваемыми пластинами из твердого сплава.

Формулируя основные принципы построения технологического процесса на автоматической линии, надо отметить следующее:

- учитывая, что в настоящее время резко сократился моральный срок службы изделий (до 1.5-2 года), предпочтение отдавать переналаживаемым автоматическим линиям, то есть в качестве оборудования принимать специализированное оборудование (вместо специального), широко применять унифицированное технологическое оснащение;

- из имеющегося оборудования предпочтение отдавать агрегатным станкам, автоматам, построенным по принципу многошпиндельной многопозиционной обработки;

- выявить возможность обработки детали за минимальное количество установов с максимальной параллельной концентрацией технологических переходов;

- обработку на автоматических линиях считать одной операцией, обработку на одном оборудовании для спутниковых АЛ считать позицией, а на безспутниковых АЛ – считать установом;

- основными признаками построения позиции принимать постоянство метода, вида обработки (черновой, получистовой, чистовой и т.д.) и время обработки;

- для уменьшения числа позиций обработки применять комбинированные, фасонные и другие специальные  инструменты;

- заготовку принимать максимально приближенную по форме к детали;

- время выполнения технологических переходов в каждой позиции должно быть синхронизировано;

- структура автоматической линии должна быть обоснована по равнению с поточной линией, по виду применяемого оборудования, по виду межагрегатной связи, по характеру межагрегатного транспортирования деталей, по виду применяемого приспособления и по количеству потоков.

Контрольные вопросы

 

1. Основные направления автоматизации серийного и мелкосерийного производства.

2. Типы систем программного управления.

3. Этапы технологической подготовки производства при обработке деталей на станках с ЧПУ.

4. Какие разделы содержит технологический этап подготовки производства при обработке деталей на станках с ЧПУ?

5. В чем заключаются особенности проектирования технологических процессов на станках с ЧПУ?

6. Какие системы используются для построения траектории режущего инструмента на станках с ЧПУ?

7. Какую информацию кодируют подготовительные функции в коде ISO – –   bit?

8. Какую информацию кодируют вспомогательные функции?

9. Как кодируются технологические команды?

10. Структура кадра управляющей программы.

11. Какая технологическая документация разрабатывается при проектировании технологического процесса на станках с ЧПУ?

12. Какие особенности проектирования технологических процессов в массовом и крупносерийном производствах?