UMK_UD_Lavrovsky - Институт инноватики СПбГПУ

1
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего
профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный
политехнический университет»
Факультет Инноватики
Кафедра «Управление проектами»
Учебно-методический комплекс дисциплины
«Промышленные технологии и инновации»
1. Направление подготовки бакалавров: 220600 – Инноватика
2. Специальности: 220601 – Управление инновациями
Преподаватель, д.т.н., профессор
_____________
Санкт-Петербург
2007 г.
С.К.Лавровский
2
СОДЕРЖАНИЕ
Аннотация
3
1 Примерная программа учебной дисциплины…………..…........................ 4
2 Концепция преподавания дисциплины…….…………………………….. 13
3 Методические указания по изучению дисциплины для студентов…….
14
4 Учебно-методические материалы по предусмотренным программой
дисциплины видам занятий...........................................................................
15
5 Словарь терминов и персоналий………………………………………….
16
6 Организация текущего, промежуточного и итогового контроля………
18
Приложение А
20
Приложение Б
61
3
Аннотация
УМК предназначен для студентов очной формы обучения «СанктПетербургского
государственного
политехнического
университета»
специальности "Управления инновациями" направления «Инноватика»,
изучающих дисциплину «Промышленные технологии и инновации».
Изучение этой дисциплины предоставляет возможность получения общего
понимания состояния в настоящее время промышленного производства в
России и ее места в современном мире, о законах и принципах
функционирования современных промышленных производств, основных
закономерностях
формирования
технологической
инфраструктуры
производства, проблемах, стоящих перед технологом-проектировщиком, и
путях их решения. Значительное внимание уделяется возможным стратегиям
развития промышленных технологий в соответствии с инновационным
подходом. Данные материалы содержат программу курса, концепцию
преподавания дисциплины, методические указания по изучению дисциплины
для студентов, учебно-методические материалы по предусмотренным
программой дисциплины видам занятий, словарь терминов и определений,
материалы по организации текущего, промежуточного и итогового контроля.
4
1 Примерная программа учебной дисциплины
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
Факультет инноватики
УТВЕРЖДЕНО
Председатель УМО
по политехническому образованию
М. П. Федоров
«____»____________________200 года
ПРИМЕРНАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
«ПРОМЫШЛЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ИННОВАЦИИ»
Рекомендуется для подготовки бакалавров
по направлению ВПО 220600 - Инноватика
и специалистов по специальности 220601 - Управление инновациями
Санкт-Петербург 2006
5
Программа дисциплины
«Промышленные технологии и инновации»
1. Цели и задачи дисциплины
В практике реализации инновационных научно-технических проектов
специалист-инноватор неизбежно сталкивается с задачами анализа и синтеза
производственных и информационных технологических систем, причем
многие приемы исследования оказываются инвариантными для многих
конкретных условий.
Целями изучения дисциплины являются:
Знания:
- гносеологических технологий, взаимосвязи физических явлений и
физических эффектов, материаловедения и технологий;
- наиболее широко используемых технологий производства в
разнообразных областях народного хозяйства;
- основных этапов производства и эксплуатации изделий в соответствии
с концепцией CALS.
- Начальные Умения и Навыки:
- проектирования маршрутной и операционной технологии;
- выбора современного технологического оборудования и средств
технологического оснащения;
- выбора оптимальных режимов обработки, способов промежуточного и
окончательного контроля продукции.
2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины
В процессе изучения данной дисциплины студенты должны овладеть
теоретическими основами технологии производства изделий в различных
областях народного хозяйства со всеми сопутствующими этому
производству мероприятиями. Полученные знания студенты могут
применять при практической реализации инновационных проектов,
связанных с производством новых изделий.
Дисциплина изучается в семестрах с 5 по 6-й и излагается на базе
дисциплин “Механика”, "Электротехника и электроника" и “Технология
материалов”.
В свою очередь, дисциплина обеспечивает изучение специальных
дисциплин: “Управление инновационными проектами”, “Инфраструктура
нововведений”, “Система управления качеством предприятия” и др.
Преподавание дисциплины базируется на использовании лекций и
практических занятий. Лекционная часть раздается студентам в электронном
виде. Основная цель практических занятий - углубленное изучение проблем,
затронутых в лекционном курсе и отработка умений и навыков
технологической подготовки производства с использованием современного
программного обеспечения.
6
Помимо аудиторных занятий, предусматривается значительный объем
самостоятельной работы студентов по изучению теоретических и
практических вопросов современной технологии производства изделий.
3. Объем дисциплины и виды учебной работы
Вид учебной работы
Лекции, ч./нед.
Практические занятия, ч./нед.
Самостоятельные занятия, ч./нед.
Экзамены, шт.
Зачеты, шт.
Семестры
5
2
1
2
1
6
2
2
1
Общая трудоемкость дисциплины составляет – 153 часа.
4. Содержание дисциплины
4.1. Разделы дисциплины и виды занятий
Разделы программы
1
Введение
РАЗДЕЛ 1. Системный подход в управлении промышленными
технологиями и инновациями.
Тема 1. Роль промышленных технологий в мировой системе
хозяйствования. Конкурентная борьба за первенство и место
России на мировом рынке.
Тема 2. Промышленные технологии и технический прогресс.
Тема 3. Конкурентоспособность промышленной продукции и
пути ее достижения.
Тема 3.1. Показатели точности.
Тема 3.2. Показатели качества поверхности.
Тема3.2. Научные основы выбора конструкционного материала.
РАЗДЕЛ 2. Промышленные технологии.
Тема 4. Технологический процесс и его составляющие.
Тема 5. Заготовки деталей машин.
Тема 5.1. Основные методы получения заготовок деталей.
Тема 5.2. Припуски на механическую обработку.
РАЗДЕЛ 3. Обработка деталей машин на металлорежущих
станках.
РАЗДЕЛ
4.
Промышленные
технологии
топливноэнергетического комплекса.
Тема 6. Виды органических топлив и их характеристика.
Тема 7. Технологии электроснабжения и электропотребления.
РАЗДЕЛ 5. Технология обработки типовых деталей машин.
Раздел 6. Автоматизация технологических процессов и
Объемы занятий,
часов
ЛК
ПЗ
Сам
2
3
4
2
1
14
14
2
2
2
2
10
10
10
3
1
6
10
2
8
4
4
6
2
2
2
3
1
6
10
2
8
4
4
5
8
8
12
10
10
5
5
12
12
5
5
12
12
2
2
7
производств.
Тема 8. Обработка деталей на оборудовании с числовым
программным управлением.
Всего:
8
68
8
17
68
4.2. Содержание разделов дисциплины
4.2.1. Введение
Важнейшие проблемы народного хозяйства России: улучшение
качественных характеристик, снижение себестоимости производимой
промышленной
продукции,
расширение
масштабов
технического
перевооружения промышленных предприятий.
4.2.2.
РАЗДЕЛ
1.
Системный
подход
в
управлении
промышленными технологиями и инновациями
Тема 1. Роль промышленных технологий в мировой системе
хозяйствования. Конкурентная борьба за первенство и место России на
мировом рынке
Современное положение России по сравнению с промышленно
развитыми странами. Конкурентные преимущества российской экономики.
Роль технологии и технологической инфраструктуры в современной
экономике. Наукоемкая продукция и макротехнологии. Пути интеграции в
мировой рынок наукоемкой продукции.
Тема 2. Промышленные технологии и технический прогресс
Влияние технического прогресса на создание принципиально новых
промышленных технологий. Схема появления новых технологий и их
модификаций. Физический эффект и его модель. Примеры физических
эффектов, широко применяемых в технике и технологии. Наукоемкие
технологии, их роль и значение в современном промышленном производстве.
Тема 3. Конкурентоспособность промышленной продукции и пути ее
достижения
Потребительские свойства и цена. Совокупность параметров качества.
Научно-технический прогресс и конкурентоспособность технологий.
Классификация технологий: по уровню применения – микро-, макро- и
глобальные технологии; по функциональному составу – технологии
заготовительного,
основного
и
вспомогательного
производства;
классификация технологий по отраслям народного хозяйства; классификация
по конечному продукту. Физико-химические основы и производственные
возможности современных промышленных технологий и материаловедение.
4.2.3. РАЗДЕЛ 2. Промышленные технологии
Тема 4. Технологический процесс и его составляющие.
Определение понятия «технология». Маршрутная и операционные
технологии. Установ, переход, проход. Выбор оборудования и средств
8
технологического оснащения. Оформление технологической документации в
соответствии с ЕСТД.
Тема 5. Заготовки деталей машин.
Заготовительное производство. Основные технологии получения
заготовок: литье, ковка, штамповка, листосварные соединения и т.п.
Технико-экономическое обоснование выбора рациональной заготовки.
Расчетно-аналитический и опытно-статистический методы определения
оптимальных припусков на обработку деталей.
4.2.4. РАЗДЕЛ 3. Обработка деталей машин на металлорежущих
станках
Основы деления промышленности по отраслям. Структура отраслей
машиностроительной промышленности. Машина – как объект производства.
Классификация машин. Характеристика типов производства. Серийность
изделий.
Коэффициент
закрепления
операций.
Структура
машиностроительного предприятия с полным технологическим циклом.
Понятие себестоимости машиностроительной продукции. Взаимосвязь
между инновационными технологиями, организацией производства и
управлением предприятием машиностроительной промышленности.
Механическая обработка металлов и сплавов. Физические основы
обработки металлов резанием. Классификация методов обработки: точение,
фрезерование, строгание, шлифование. Основные параметры обработки
металлов резанием. Влияние параметров обработки на точность,
производительность и себестоимость. Оптимизация режимов резания. Типы
металлорежущих станков.
Физические основы и пути развития электрофизических (ЭФО) и
электрохимических (ЭХО) методов обработки. Тенденции развития
прогрессивных технологий в обрабатывающей промышленности.
4.2.5. РАЗДЕЛ 4. Промышленные технологии топливноэнергетического комплекса
Тема 6. Виды органических топлив и их характеристика.
Торф. Уголь. Нефть. Газ. Технологии их добычи и первичной
обработки. Газификация и коксование углей. Гидрирование, пиролиз,
термический крекинг нефтепродуктов. Промышленные технологии очистки
и переработки природного газа и нефти. Первичная фракционная перегонка
нефти. Промышленные технологии получения топлив и масел. Повышение
эффективности переработки органического сырья. Экологические аспекты
использования
топливно-энергетических
ресурсов.
Инновационные
технологии в переработке органических топлив.
Тема 7. Технология электроснабжения и электропотребления.
Электроэнергетика - лицо промышленной державы: производство
электроэнергии
в
развитых
странах;
установленная
мощность
электростанций и темпы ввода новых генерирующих мощностей; динамика
9
производства и потребления электроэнергии как индикатор экономического
прогресса.
Структура электропотребления. Электроприводы: классификация и
характеристики; приводы переменного и постоянного тока, специфика
приводов систем автоматики; управление приводами от ЭВМ.
Производство
и
распределение
электроэнергии:
структура
генерирующих мощностей в России; гидро-, тепло- и атомные
электростанции; альтернативные источники энергии(комплексный подход);
электрические системы и сети; напряжения, токи и частота в сетях;
инновационные проекты в области электроэнергетики.
Электроэнергия как товар: специфика электроэнергии как товара;
экспорт электроэнергии; мировые и российские цены на электроэнергию;
качество электроэнергии; экономические и технологические средства
снижения реактивной мощности.
4.2.6. РАЗДЕЛ 5. Технология обработки типовых деталей машин
Понятие типового технологического процесса. Технологические
процессы обработки валов, втулок, фланцев, зубчатых колес, плоскостных и
корпусных деталей.
4.2.7. РАЗДЕЛ 6. Автоматизация технологических процессов и
производств
Технологии
автоматизированного
управления
объектами
и
производствами.
Локальные
системы
управления.
Управление
технологическим
оборудованием
с
использованием
компьютеров.
Распределенные системы управления. Гибкие производственные модули.
Специализированные
аппаратно-программные
комплексы.
Гибкие
производственные системы.
Тема 8. Обработка деталей на оборудовании с числовым программным
управлением.
Особенность технологической подготовки производства для
оборудования с числовым программным управлением (ЧПУ). Кодирование
информации управляющей программы (УП). Структура УП. Структура
кадров УП. Системы координат оборудования с ЧПУ. Комплекс
«Оборудование с ЧПУ».
5. Практические занятия
Занятие 1. Базирование и закрепление заготовок на станках типа
«обрабатывающий центр» с использованием универсально-сборной
переналаживаемой оснастки (УСПО)
Занятие 2. Размерная настройка инструмента для станков с ЧПУ и типа
«обрабатывающий центр»
Занятие 3. Исследование функциональных возможностей гибкого
производственного модуля фрезерно-сверлильно-расточной группы
10
Занятие 4. Управление системами и устройствами многоцелевого
токарного полуавтомата
Занятие 5. Исследование автоматизированной складской системы ГПС
Всего 17 часов
6. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
6.1. Рекомендуемая литература
Основная
1.
Технология машиностроения: В 2-х т. Учебник для вузов. - Издво МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. Т.1 - 563 с., т.2 - 639 с.
2.
Физические эффекты в машиностроении: Справочник/ В.А.
Лукьянец и др. - М.: Машиностроение, 1993. - 212 с.
3.
Смирнов А.И. Перспективы технологии машиностроения /РАН,
Ин-т народнохозяйственного прогнозирования. -М.: Наука, 1992. - 184 с.
4.
Ларин В.М.., Боровков В.М. Развитие теплоснабжения СанктПетербурга, проблемы и перспективы// Вестник СПбГТУ №3, 1997.
5.
Быстрицкий Г.Ф. Основы энергетики. Учебник, - М: ИНФРА-М,
2005. - 278 с.
6.
Жарченков Ю.Н. Основы промышленных технологий. Учебное
пособие/ГУУ. М., 2000.
7.
Ильинский Н.Ф. Основы электропривода. Учебное пособие. - М.:
Изд. МЭИ, 2000. -164 с.
Дополнительная
1. Васильев Ю.С., Кинелев В.Г., Колосов В.Г. Зачем предпринимателю
инновации.-СПб.: СПбГТУ, 1996.-35 с.
2. Колосов В.Г. Гибкая автоматизация. Концепция авторазвития. СПетербург, “Политехника”,1992.-389 с.
3. Прогрессивная технология металлообработки/Сост. В.А. Волосатов.
-Л.: Лениздат, 1985. -207 с.
4. Технология машиностроения (специальная часть): Учебник для
машиностроительных специальностей вузов/А.А. Гусев, Е.Р. Ковальчук,
И.М. Колесов и др. - М.: Машиностроение, 1986. -480 с.
5. Проектирование
технологии:
Учебник
для
студентов
машиностроительных специальностей вузов/Под общ. ред. Ю.М.
Соломенцева. - М.: Машиностроение, 1990. -416 с.
6. Справочник технолога-машиностроителя: В 2-х т./Под ред. А.Г.
Косиловой и Р.К. Мещерякова. - М.: Машиностроение, 1986. Т.1 - 656 с., т.2 496 с.
7. Научные основы выбора материала: Текст лекций / Г.П.Иванов;
Владим. политехн. ин-т. Владимир,1991. 56 с.
8. В начале века Россия должна пройти через технологическую
революцию / А.Спиридонов; Финансовые вдомости, 30.12.97 г.
11
6.2. Технические средства освоения дисциплины
Процесс обучения сопровождается использованием стандартных
компьютерных продуктов, а также информационным обеспечением
Интернета. Раздаваемые материалы (до 2 стр. на 1 час лекционных занятий),
презентации, выполненные в ПП Power Point. Слайды - иллюстрации
лекционного материала и материалов практических занятий.
7. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Для проведения ряда практических занятий необходимо наличие
компьютерного класса, оснащенного оргтехникой и мультимедиа средствами
(проектор, видеомагнитофон и др.).
8. Методические рекомендации по организации изучения
дисциплины
По каждому разделу дисциплины проводится письменный коллоквиум.
Изучение российского и зарубежного опыта использования
прогрессивных технологий, материалов и средств воздействия с целью
повышения
эксплуатационных
свойств,
высокопроизводительного
технологического оборудования.
Программа составлена в соответствии с Государственными
образовательными стандартами высшего профессионального образования.
Программу составил:
Лавровский Сергей Константинович, профессор, Санкт-Петербургский
государственный политехнический университет, факультет инноватики
Ответственные редакторы И.Л. Туккель, О.В. Колосова
Программа одобрена на заседании Учебно-методического совета по
направлению "Инноватика" "17" февраля 2006 г., протокол № 8 и на
заседании Учебно-методической комиссии по специальности "Управление
инновациями" "17" февраля 2006 г., протокол № 8
12
Председатель УМС по направлению
"Инноватика"
И.Л.Туккель
Сопредседатели УМК
по специальности "Управление инновациями"
Б.Н.Киселев
О.В.Колосова
13
2 Концепция преподавания дисциплины
В процессе изучения данной дисциплины студенты должны овладеть
теоретическими основами технологии производства изделий в различных
областях народного хозяйства со всеми сопутствующими этому
производству мероприятиями. Полученные знания студенты могут
применять при практической реализации инновационных проектов,
связанных с производством новых изделий.
Дисциплина изучается в семестрах с 5 по 6-й и излагается на базе
дисциплин “Механика”, "Электротехника и электроника" и “Технология
материалов”.
В свою очередь, дисциплина обеспечивает изучение специальных
дисциплин: “Управление инновационными проектами”, “Инфраструктура
нововведений”, “Система управления качеством предприятия” и др.
Преподавание дисциплины базируется на использовании лекций и
практических занятий. Лекционная часть раздается студентам в электронном
виде. Основная цель практических занятий - углубленное изучение проблем,
затронутых в лекционном курсе и отработка умений и навыков
технологической подготовки производства с использованием современного
программного обеспечения.
Помимо аудиторных занятий, предусматривается значительный объем
самостоятельной работы студентов по изучению теоретических и
практических вопросов современной технологии производства изделий.
14
3 Методические указания по изучению дисциплины для студентов
Особенностями
изучения
данной
дисциплины
являются
интенсификация самостоятельной работы студентов и широкое применение
технических средств обучения.
В ходе проведения всех видов занятий значительное место уделяется
активизации самостоятельной работы студентов с целью углубленного
освоения разделов программы и формирования навыков самообразования.
Во время изучения учебной дисциплины «Промышленные технологии
и инновации» текущий контроль знаний студентов осуществляется путем
систематического опроса на практических занятиях, проверки результатов
выполнения контрольных работ, домашних заданий. По окончании каждого
семестра студенты сдают зачет, после окончания изучения дисциплины –
зачет. По каждому разделу дисциплины проводится письменный коллоквиум.
Изучение российского и зарубежного опыта использования
прогрессивных технологий, материалов и средств воздействия с целью
повышения
эксплуатационных
свойств,
высокопроизводительного
технологического оборудования.
15
4 Учебно-методические материалы по предусмотренным
программой дисциплины видам занятий
В Приложении А представлен опорный конспект лекций.
Приложение Б – указания по проведению лабораторных работ
Рекомендуемая литература
Основная
1. Технология машиностроения: В 2-х т. Учебник для вузов. - Изд-во МГТУ
им. Н.Э. Баумана, 1999. Т.1 - 563 с., т.2 - 639 с.
2. Физические эффекты в машиностроении: Справочник/ В.А. Лукьянец и
др. - М.: Машиностроение, 1993. - 212 с.
3. Смирнов А.И. Перспективы технологии машиностроения /РАН, Ин-т
народнохозяйственного прогнозирования. -М.: Наука, 1992. - 184 с.
4.
Ларин В.М.., Боровков В.М. Развитие теплоснабжения СанктПетербурга, проблемы и перспективы// Вестник СПбГТУ №3, 1997.
5.
Быстрицкий Г.Ф. Основы энергетики. Учебник, - М: ИНФРА-М,
2005. - 278 с.
6.
Жарченков Ю.Н. Основы промышленных технологий. Учебное
пособие/ГУУ. М., 2000.
7.
Ильинский Н.Ф. Основы электропривода. Учебное пособие. - М.:
Изд. МЭИ, 2000. -164 с.
8. В начале века Россия должна пройти через технологическую
революцию / А.Спиридонов; Финансовые вдомости, 30.12.97 г.
Дополнительная
9. Васильев Ю.С., Кинелев В.Г., Колосов В.Г. Зачем предпринимателю
инновации.-СПб.: СПбГТУ, 1996.-35 с.
10. Колосов В.Г. Гибкая автоматизация. Концепция авторазвития. СПетербург, “Политехника”,1992.-389 с.
11. Прогрессивная технология металлообработки/Сост. В.А. Волосатов.
-Л.: Лениздат, 1985. -207 с.
12. Технология машиностроения (специальная часть): Учебник для
машиностроительных специальностей вузов/А.А. Гусев, Е.Р. Ковальчук,
И.М. Колесов и др. - М.: Машиностроение, 1986. -480 с.
13. Проектирование
технологии:
Учебник
для
студентов
машиностроительных специальностей вузов/Под общ. ред. Ю.М.
Соломенцева. - М.: Машиностроение, 1990. -416 с.
14. Справочник технолога-машиностроителя: В 2-х т./Под ред. А.Г.
Косиловой и Р.К. Мещерякова. - М.: Машиностроение, 1986. Т.1 - 656 с., т.2 496 с.
15. Научные основы выбора материала: Текст лекций / Г.П.Иванов;
Владим. политехн. ин-т. Владимир,1991. 56 с.
16
5 Словарь терминов и персоналий
Технология (Тechnology) – в дословном переводе наука о мастерстве.
Существует ряд отечественных определений, из которых приведем
только энциклопедические:
Наука или совокупность сведений о методах переработки сырья,
материалов, полуфабрикатов, комплектующих, теперь и программных
средств в изделия, отвечающие заданным требованиям с точки зрения их
технического назначения и качества.
Совокупность средств, процессов, операций, методов, с помощью
которых входящие в производство элементы преобразуются в выходящие;
она охватывает машины, механизмы, навыки и знания.
Зарубежное (западное) определение: применение (употребление) чего
либо в индустрии, коммерции, медицине и других областях,
Прогрессивная технология. Технология более высокой ступени
развития (по сравнению с существующей), которая является результатом
внедрения процессных инноваций. Эта категория включает технологии,
базирующиеся на заимствованном передовом опыте, когда внедряются новые
или усовершенствованные методы производства изделий, в т.ч.
реализованные ранее в производственной практике в смежных областях
одного предприятия, других предприятий и других стран и
распространяемые путем технологического обмена (беспатентные лицензии,
ноу-хау, инжиниринг и т.п.).
Наукоемкая технология. Технология, основанная на новых или
значительно усовершенствованных методах производства. Новой технологии
соответствует
понятие
радикальной
продуктовой
инновации,
а
усовершенствованной – инкрементальной продуктовой инновации.
Наукоемкие технологии – это технологии, ориентированные на выпуск
продукции, выполнение работ и услуг с использованием последних
достижений науки и техники, когда получаемая продукция соответствует по
своим экономическим и эксплуатационным свойствам лучшим мировым
образцам и вполне удовлетворяет новые потребности общества по сравнению
с ранее выпускавшейся аналогичного назначения. Создание таких
технологий включает проведение обеспечивающих научных исследований и
разработок, что приводит к дополнительным затратам средств и
необходимости привлечения к работам научного потенциала и персонала.
Наукоемкость – показатель, отражающий пропорцию между научнотехнической деятельностью и производством в виде величины затрат на
науку, приходящихся на единицу продукции. Она может быть представлена
соотношением числа занятых научной деятельностью и всеми занятыми в
производстве (на предприятии, в отрасли и т.д.).
Высокая технология (High Technology). Технология, базирующаяся на
создании новых свойств изделий путем воздействия на материалы на
межмолекулярном, межатомном, внутриатомном и т.п. уровнях. Примерами
таких воздействий может быть использование энергии ядерного излучения
(полимеризация высокомолекулярных соединений), космического излучения
17
(получение сверхчистых материалов), лазерная, плазменная, ультразвуковая
и т.п. виды обработки.
Критическая технология. Технология, разработка которой обусловлена
критической ситуацией, вызванной необходимостью срочного выпуска
продукции в условиях ограниченного времени и ограниченных
материальных ресурсов. Технология – далекая от оптимальной, когда
главенствующим является не себестоимость изделий, а необходимость их
изготовления к определенному календарному сроку.
Диалоговый режим - режим работы с ЭВМ по принципу "вопросответ".
Постпроцессор - программный модуль, обеспечивающий получения
управляющей программы (УП) для станка с ЧПУ с учетом индивидуальных
особенностей программирования для конкретной пары "система ЧПУ станок".
Интерактивный режим - режим работы с использованием системы
МЕНЮ, МЫШКИ, графического редактора и с автоматическим
формированием соответствующих фрагментов исходной программы на языке
системы автоматизации программирования (САП).
МАКРОС - заранее сформированный программный модуль на языке
САП, описывающий конкретную последовательность действий над
объектами проектирования.
Код ISO-7bit - международная система кодирования информации УП.
САПР
система
автоматизированного
(компьютерного)
проектирования.
Формат DXF - международный формат передачи информации между
различными САПР.
СОЖ - смазывающе-охлаждающая жидкость, применяемая при
обработке металлов резанием.
18
6 Организация текущего, промежуточного и итогового контроля
Во время изучения учебной дисциплины «Промышленные технологии
и инновации» текущий контроль знаний студентов осуществляется путем
систематического опроса на практических занятиях, проверки результатов
выполнения контрольных работ, домашних заданий. По каждому разделу
дисциплины проводится письменный коллоквиум.
По окончании каждого семестра студенты сдают зачет,
после
окончания изучения дисциплины – зачет.
Вопросы по курсу "Промышленные технологии и инновации"
1.
Каковы важнейшие проблемы народного хозяйства России в
настоящее время?
2.
Место России на мировом рынке в настоящее время?
3.
Конкурентные преимущества российской экономики в рамках
т.н. "стратегии экономического роста".
4.
Понятие "макротехнологии" в мировой рыночной экономике.
5.
Понятие физического эффекта и основные закономерности его
проявления.
6.
Обобщенная схема создания новых промышленных технологий.
7.
Конкурентоспособность промышленной продукции и ее
составляющие.
8.
Показатели точности.
9.
Единая система допусков и посадок и ее структура.
10. Статистические методы исследования точности.
11. Показатели качества поверхности.
12. Методы управления механическими свойствами металлов.
13. Методы повышения выносливости деталей из металлов.
14. Методы управления характеристиками поверхностного слоя.
15. Методы защиты от коррозии.
16. Высокопрочные полимерные композиции.
17. Металломатричные композиции.
18. Сверхтвердые керамические материалы.
19. Оптимизационный
подход
к
функционированию
заготовительного производства.
20. Методы малоотходного производства заготовок.
21. Технологичность литейных материалов.
22. Технологичность материалов, обрабатываемых давлением.
23. Применение энергии взрыва.
24. Технологический процесс обработки и его составляющие.
25. Понятие типового, группового и единичного технологического
процесса (ТП).
26. Разновидности токарной обработки.
27. Разновидности обработки на станках сверлильной группы.
28. Разновидности фрезерной обработки.
19
29.
30.
31.
32.
Строгание, долбление, протягивание, прошивание.
Обработка зубьев зубчатых колес.
Абразивная обработка.
Электрофизические и электрохимические методы обработки.
20
Приложение А
Опорный конспект лекций
ПРОМЫШЛЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ИННОВАЦИИ
(Часть 1)
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время важнейшими проблемами народного хозяйства
России являются: улучшение качественных характеристик производимой
промышленной продукции, снижение ее себестоимости и повышение
производительности
труда,
значительное
расширение
масштабов
технического перевооружения действующих предприятий, оснащение их
новой высокоэффективной техникой, внедрение прогрессивной технологии и
современных методов управления.
Снижение
материалоемкости,
повышение
эффективности
использования материальных ресурсов, применение прогрессивных
материалов – одна из наиболее актуальных задач промышленного
производства. Создание и освоение новых материалов с высокими
эксплуатационными
характеристиками
и
стабильностью
физикомеханических свойств во времени позволит разработать принципиально
новые образцы товаров широкого потребления и повышенного спроса,
определяющих экономическое положение соответствующей отрасли и
страны в целом..
Внедрение высокопроизводительного и прецизионного оборудования,
качественно новых технологических процессов, базирующихся на
инновационном принципе, – основной путь наращивания промышленных
мощностей современного производства. Такое оборудование и процессы
должны широко использоваться при изготовлении наукоемкой продукции,
соответствующей лучшим мировым образцам и пользующейся повышенным
спросом на мировом рынке.
РАЗДЕЛ 1. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД В УПРАВЛЕНИИ
ПРОМЫШЛЕННЫМИ ТЕХНОЛОГИЯМИ И ИННОВАЦИЯМИ
Тема 1. РОЛЬ ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В МИРОВОЙ
СИСТЕМЕ ХОЗЯЙСТВОВАНИЯ. КОНКУРЕНТНАЯ БОРЬБА ЗА
ПЕРВЕНСТВО И МЕСТО РОССИИ НА МИРОВОМ РЫНКЕ
Концепций и прогнозов, касающихся будущего России в ХХ1 веке, к
его началу выдвинуто предостаточно. Подходы и мнения в них звучат самые
разные. Некоторые из западных стран придерживаются точки зрения,
которую высказал в одном из своих выступлений бывший премьер-министр
Великобритании Джон Мейджор. Говоря о будущем России, он предрек ей
роль кладовой ресурсов для нужд Запада, прибавив, что для этого хватит 4050 миллионов населения. Если принять логику такого прогноза, то
порожденная транснациональными корпорациями финансовая элита,
которая, и правит миром, фактически уже сделала за Россию выбор –
21
«кочегарка» и «прихожая». Но тогда этой самой элите придется приписать
ряд довольно парадоксальных качеств – недальновидность, нерасчетливость,
склонность
к
порождению
очагов
напряженности.
Провоцируя
нестабильность, уязвляя гордыню все еще ядерной державы, мировая
финансовая элита, если таковая и существует, выглядит уж слишком
отчаянной и злокозненной.
Альтернативный сценарий основан на так называемой стратегии
экономического роста. В ее фундаменте – ставка на активизацию
конкурентных преимуществ российской экономики. Их оказывается восемь:
1. Уровень образования совместно с ориентацией на коллективизм;
2. Природные ресурсы;
3. Территория и емкий внутренний рынок;
4. Дешевая и достаточно квалифицированная рабочая сила;
5. Научно-промышленный потенциал;
6. Научные школы и конкурентоспособные технологии;
7. Свободные производственные мощности,
8. Опыт
экспорта
высокотехнологичной
продукции
и
производственная кооперация.
Для реализации всех этих преимуществ, разумеется, должна быть
продумана система экономических и административных мер. Расчеты уже в
среднесрочной перспективе обещают устойчивый экономический рост не
менее чем на 7% в год, общее увеличение инвестиций – по меньшей мере на
15% в год, а в наукоемкую промышленность и новые технологии – до 30%.
Инфляция также будет ограничена 30% в год…
Главные надежды многие специалисты прямо возлагают на реализацию
научно-промышленного потенциала страны. У России, располагающей 12%
ученых мира, собственно, и нет другой серьезной альтернативы. На сырье,
даже имея 28% мировых запасов, приемлемого подъема экономики
достигнуть невозможно. По прогнозам, его потребление к 2015 году
возрастет всего в 2 раза, а мы уже сейчас по внутреннему валовому продукту
на душу населения (ВВП) отстаем от развитых стран примерно в 10 раз. Зато
объем мирового рынка наукоемкой продукции сегодня составляет 2 трлн. 500
млрд. долларов (доля России – 0,3%). К 2015 году он достигнет примерно 4
трлн. долл. Даже десятая часть этой суммы примерно на порядок превышает
потенциальный российский нефте-газовый экспорт. С другой стороны,
шансы раскрутить инновационный процесс в национальном масштабе,
отпустив инфляцию до 30% в год, представляются проблематичными. Из
мирового опыта известно (Аргентина), что это предельный уровень, выше
которого инфляция становится главным препятствием экономического роста.
По всем основным показателям страна имеет ту же промышленную
инфраструктуру, что и западные страны. И лишь по развитию
технологической среды (системы обеспечения качества, стандарты,
автоматизация разработок, компьютеризация производства и т.д.) мы очень
сильно от них отстаем. Уровень развития технологической инфраструктуры –
22
это и есть своего рода водораздел между индустриальными и
постиндустриальными странами. Его-то и надлежит России преодолеть.
Анализ мирового рынка показывает: производство наукоемкой
продукции
обеспечивают
всего
порядка
50
макротехнологий
(макротехнология
представляет
собой
совокупность
знаний
и
производственных возможностей для выпуска на мировой рынок конкретных
изделий – самолетов, реакторов, судов, материалов, компьютерных программ
и т.п.). Семь наиболее развитых стран, обладая 46 макротехнологиями,
держат 80% этого рынка. США ежегодно получают от экспорта наукоемкой
продукции около 700 млрд. долл., Германия – 530, Япония –400. По 16
макротехнологиям прогноз на перспективу уже сделан (см. таблицу).
Таблица
Рынок макротехнологий (в млрд.долл.)
2010 г.
Авиационные технологии
18-22
Космические технологии
4
Ядерные технологии
6
Судостроение
4
Автомобилестроение
2
Транспортное машиностроение
4
Химическое машиностроение
3
Спецметаллургия. Спецхимия.
Новые материалы
12
Технология нефтедобычи и переработки
8
Технология газодобычи и транспортировки
7
Энергетическое машиностроение
4
Технология промышленного
оборудования. Станкостроение
3
Микро- и радиоэлектронные технологии
4
Компьютерные и информационные
технологии
4,6
Коммуникация, связь
3,8
Биотехнологии
6
Всего
94-98
2015 г.
28
8
10
10
6-8
8-12
8-10
14-18
14-22
21-28
12-14
8-10
7-9
7,8
12
10
144-180
На мировом рынке происходит жесточайшая конкуренция. Так, за
последние 7-10 лет США потеряли 8 макротехнологий и, соответственно, их
рынки. В результате получили дефицит платежеспособного спроса в 200
млрд. долл. Причина этого в том, что примерно 15 лет назад европейцы
сформировали общую программу с целью отвоевать часть рынка у США и
Японии.
Под
нее
были
перестроены
технологии,
проведены
фундаментальные исследования, реструктурирована промышленность.
Сейчас аналогичную целевую атаку предпринимает европейский
авиационный консорциум. Его эксперты определили возможность отвоевать
25% рынка тяжелых самолетов (300 млрд. долл.). Была сформирована
соответствующая
международная
программа.
Даже
конкурентов-
23
американцев в нее вовлекли, скупая их фирмы. России предложили создать
совместный научный центр, заключили контракты с нашими заводами. В
целом 20% от всего объема программы стали российскими. Словом, история
этого крупнейшего транснационального проекта четко свидетельствует: при
распределении заказов решающей, прежде всего, оказывается деловая
целесообразность.
По оценке наших специалистов за рынок 10-15 макротехнологий из тех
50, что определяют потенциал развитых стран, Россия вполне способна
побороться. Выбор макротехнологических приоритетов в нашей стране
должен осуществляться на совершенно новом для нас принципе. Поддержка
десятков приоритетных научно-технических программ по всему фронту
мыслимых исследований совершенно бесперспективна. Этого сегодня не
может себе позволить даже самая богатая страна. Для присвоения той или
иной макротехнологии статуса приоритетной для нашей страны предлагается
сопостовлять затраты на формирование по ней базы знаний (полной или
достаточной) и возможный эффект от реализации конкурентной продукции,
созданной на ее основе.
По каждой приоритетной макротехнологии формируются федеральные
целевые программы. Заказы по ним правительство на конкурсной основе
размещает в институтах и КБ. В результате промышленность получает
связанный комплекс заданий по конструированию цельных технологических
систем. (Кстати, по аналогичной схеме Россия, приняв лет 15 назад целевую
программу «Истребитель-90-х», завоевала рынок объемом в 5 млрд.долл.,
подобная же аналогия напрашивается, если вспомнить программу по
созданию ракетно-космической техники). Создается конкурентная,
гармонизированная с мировыми стандартами технологическая среда. А
поскольку все целевые программы заведомо ориентированы на конечную
продукцию мирового уровня, их привлекательность для западных и
российских инвесторов и кредиторов будет достаточно высока. Роль
государства – гарантировать кредиты риска.
Для России сейчас, как никогда, актуальна интеграция в мировой
рынок
наукоемкой
технологии.
В
стране
почти
отсутствует
платежеспособный спрос на часть наукоемкой продукции, что приводит к
застою и старению наиболее передовой технологической базы (авиация,
космонавтика, электроника, информатика, связь и т.п.). Согласно прогнозам,
объем экспорта по приоритетным макротехнологиям уже в первом
десятилетии ХХ1 века позволит в 2-3 раза повысить платежеспособность
населения и обеспечить спрос на наукоемкую продукцию на внутреннем
рынке. Это послужит стимулом дальнейшего экономического роста.
Концепция
национальных
макротехнологических
приоритетов
встречена с интересом не только в среде специалистов, но и в правительстве.
Это позволяет надеяться, что в ХХ1 веке мы все еще сами в состоянии
сделать достойный выбор – не в пользу «кочегарки» и «прихожей».
24
2. Промышленные технологии и технический прогресс
В современной технической (и не только) литературе широко
используются различные варианты понятия "технология". Целесообразно
как-то систематизировать эти определения и рассмотреть влияние
технического прогресса на создание принципиально новых промышленных
технологий.
Технология (Тechnology ) – в дословном переводе наука о мастерстве.
Существует ряд отечественных определений, из которых приведем
только энциклопедические:
1.
Наука или совокупность сведений о методах переработки сырья,
материалов, полуфабрикатов, комплектующих, теперь и программных
средств в изделия, отвечающие заданным требованиям с точки зрения их
технического назначения и качества.
2.
Совокупность средств, процессов, операций, методов, с помощью
которых входящие в производство элементы преобразуются в выходящие;
она охватывает машины, механизмы, навыки и знания.
Зарубежное (западное) определение: применение (употребление) чего
либо в индустрии, коммерции, медицине и других областях.
Прогрессивная технология. Технология более высокой ступени
развития (по сравнению с существующей), которая является результатом
внедрения процессных инноваций. Эта категория включает технологии,
базирующиеся на заимствованном передовом опыте, когда внедряются новые
или усовершенствованные методы производства изделий, в т.ч.
реализованные ранее в производственной практике в смежных областях
одного предприятия, других предприятий и других стран и
распространяемые путем технологического обмена (беспатентные лицензии,
ноу-хау, инжиниринг и т.п.).
Наукоемкая технология. Технология, основанная на новых или
значительно усовершенствованных методах производства. Новой технологии
соответствует
понятие
радикальной
продуктовой
инновации,
а
усовершенствованной – инкрементальной продуктовой инновации.
Наукоемкие технологии – это технологии, ориентированные на выпуск
продукции, выполнение работ и услуг с использованием последних
достижений науки и техники, когда получаемая продукция соответствует по
своим экономическим и эксплуатационным свойствам лучшим мировым
образцам и вполне удовлетворяет новые потребности общества по сравнению
с ранее выпускавшейся аналогичного назначения. Создание таких
технологий включает проведение обеспечивающих научных исследований и
разработок, что приводит к дополнительным затратам средств и
необходимости привлечения к работам научного потенциала и персонала.
Наукоемкость – показатель, отражающий пропорцию между научнотехнической деятельностью и производством в виде величины затрат на
науку, приходящихся на единицу продукции. Она может быть представлена
соотношением числа занятых научной деятельностью и всеми занятыми в
производстве (на предприятии, в отрасли и т.д.).
25
Высокая технология ( High Technology ). Технология, базирующаяся
на создании новых свойств изделий путем воздействия на материалы на
межмолекулярном, межатомном, внутриатомном и т.п. уровнях. Примерами
таких воздействий может быть использование энергии ядерного излучения
(полимеризация высокомолекулярных соединений), космического излучения
(получение сверхчистых материалов), лазерная, плазменная, ультразвуковая
и т.п. виды обработки.
Критическая
технология.
Технология,
разработка
которой
обусловлена критической ситуацией, вызванной необходимостью срочного
выпуска продукции в условиях ограниченного времени и ограниченных
материальных ресурсов. Технология, далекая от оптимальной, когда
главенствующим является не себестоимость изделий, а необходимость их
изготовления к определенному календарному сроку.
Повышение качества выпускаемой продукции, создание и внедрение в
производство принципиально новых объектов техники и конструкционных
материалов нередко связано с необходимостью разработки новых
технологий. Новые технологии возникают и оказываются востребованными в
периоды революционных технических преобразований, когда появление
новых идей в тех или иных областях человеческой деятельности и знаний
требует их материального или иного воплощения. Создание промышленных
технологий неразрывно связано с использованием разнообразных
физических эффектов (ФЭ), положенных в их основу.
2.1. Определение физического эффекта
При взаимодействии объектов материального мира протекают
физические процессы, сопровождающиеся различными эффектами. Для
однозначности толкования понятия ФЭ принято следующее его определение:
ФЭ – это закономерность проявления результатов взаимодействия объектов
материального мира, осуществляемого посредством физических полей. При
этом закономерность проявления характеризуется последовательностью и
повторяемостью при идентичности взаимодействия.
Разнообразие процессов и явлений, которые происходят в природе,
обусловлено четырьмя типами взаимодействий: всемирным тяготением,
электромагнитными, ядерными и слабыми взаимодействиями. Каждому
взаимодействию соответствуют определенные физические поля. Каждое из
этих полей имеет ряд модификаций, обусловливающих особенности
взаимодействия материальных объектов. Например, электрическое поле
может быть электростатическим, переменным, вихревым и т. д.
Результаты воздействия – это эффекты, проявляющиеся на объектах
или в окружающем их пространстве. Ими могут быть физические поля и
изменения параметров объектов (размеров, формы, физико-механических
свойств и т.д.). При постоянстве условий взаимодействия и свойств объектов
проявляются одни и те же результаты воздействия.
2.2. Основные закономерности проявления ФЭ
1. При одном воздействии на объект может проявляться несколько
результатов воздействия. Их число зависит от сложности структуры
26
физического объекта. Поскольку от одного воздействия могут проявляться
ФЭ на разных иерархических уровнях структуры объекта, то возникают
внутренние воздействия. Последние широко используются в технике и
технологии. Так, для нагревания заготовки может быть использована печь
(внешнее воздействие) или пропускание через заготовку электрического тока
(внутреннее воздействие).
2. На один объект может быть оказано несколько воздействий. Их
можно разделить на основные и дополнительные. Основным является такое,
результат от которого представляет другое, отличное от воздействия,
физическое поле. Дополнительное – такое, которое приводит лишь к
количественному изменению результата, получаемого от основного
воздействия. Дополнительные воздействия не могут вызвать данного
результата без основного воздействия (электро-химическая обработка).
3. На одном объекте могут проявляться несколько ФЭ. Любые два ФЭ
или более, проявляющиеся на одном объекте, оказывают влияние друг на
друга (комбинированная обработка, наростообразование при резании).
4. Значение результата воздействия может регулироваться:
количественным изменением воздействия, введением новых основных и
дополнительных воздействий, изменением структуры объекта, изменением
параметров объекта. Это свойство лежит в основе технической реализации
таких функций объектов техники, как усиление, ослабление, преобразование,
модуляция, выравнивание, проводимость и др.
Модель ФЭ характеризует зависимость результата воздействия
(эффекта) от воздействия и должна удовлетворять следующим требованиям:

отражать условия взаимосвязи ФЭ друг с другом;

давать количественную характеристику проявления ФЭ;

обеспечивать описание процесса проявления ФЭ во времени;

быть пригодной для использования в инженерной практике;

обеспечивать определение результатов воздействий при заданных
воздействиях, значениях варьируемых параметров физического объекта,
временных характеристик.
Для многих ФЭ пока не известны строгие математические зависимости
между воздействием и результатом. В этом случае используются
эмпирические зависимости, либо экспериментальные данные.
Из модели ФЭ следует, что результат воздействия зависит от
используемых марок веществ и материалов. В связи с этим поиск новых
марок веществ и материалов следует считать важнейшей задачей
инновационного
процесса.
Материал
или
вещество
должны
характеризоваться параметрами воздействия (основным и дополнительным),
результатами
воздействий
и
конструкторско-технологическими
требованиями. Поэтому, желательна интеграция необходимой информации
на основе баз данных по свойствам веществ и материалов.
27
2.3. Обобщенная схема создания промышленных технологий на
основе ФЭ
Рассмотрим примеры ФЭ, широко применяемых в технике и
технологии. Одним из таких ФЭ является "эффект клина". Сущность эффекта
заключается в преобразовании силы (по величине и направлению) при
взаимодействии двух твердых тел путем использования поверхности
контакта, наклоненной под острым углом к действующей силе. Когда
человечество освоило процессы получения металлов из руды, возникла
необходимость их переработки в изделия. Базируясь на "эффекте клина" и
подобрав необходимые сопутствующие материалы (инструментальные,
смазывающе-охлаждающие жидкости) удалось реализовать технологический
процесс обработки металлов резанием, который в дальнейшем развился в
великое множество его модификаций: точение, строгание, сверление,
зенкерование, развертывание, фрезерование, шлифование, полирование и т.д.
и т.п.
На рис. 2.1. представлена в общем виде схема появления новых
технологий и ее модификаций.
Разновидности новых технологий
Рис. 2.1. Обобщенная схема разработки новых технологий
Приведем более современный пример. При переводе в 60-х годах
прошлого века авиации с поршневых на газотурбинные двигатели, перед
заводами по производству авиационных двигателей встала проблема
обработки лопаток турбин и компрессоров. Это большие партии деталей из
высоколегированных (и, следовательно, трудно обрабатываемых резанием)
сталей и сплавов, имеющих сложную пространственную геометрию и
высокие требования по точности икачеству. Традиционная технология
обработки таких поверхностей на фрезерно-копировальном оборудовании не
обеспечивала необходимого качества и производительности. "Узкое" место в
производстве удалось расшить благодаря разработке принципиально новой
технологии (рис.2,2), основанной на принципе химического растворения
материала (основное воздействие), значительно усиливаемого наложением
28
электрического тока (дополнительное воздействие). Проведенные научные
исследования по выбору оптимальных сопутствующих материалов
(электроды, электролиты) и электрических режимов позволили создать
надежную технологию и промышленное оборудование для ее реализации.
Рис. 2.2. Принципиальная схема электрохимической обработки
1 – электрод-заготовка;
2 – электрод-инструмент;
3 – электролит.
Использование наукоемких технологий в самых разнообразных
областях человеческой деятельности является знамением нашего времени.
Так, применение лазерных технологий не ограничивается машиностроением,
связью, медициной и т.п., они нашли свое место даже в так называемой
"высокой моде", например, для получения кружев из меха по
индивидуальному для каждого клиента рисунку, компьютеризированного
раскроя заготовок для одежды и т.п.
3.
Конкурентоспособность промышленной продукции. Пути ее
достижения
Конкурентоспособность продукции определяется на рынке ее
потребительскими свойствами и ценой. Потребительские свойства создаются
в процессе изготовления изделия в зависимости от выбранной технологии и
состояния технологической среды, цена в значительной степени
определяется себестоимостью изготовления и также зависит от принятой
технологии и связанной с нею производительностью труда. Качество изделия
в целом определяется технологической культурой его сборки (часто и
испытаний), но во многом зависит от качества элементов изделия,
поступающих на сборку.
Качество
изготовления
элементов
изделия
определяется
совокупностью свойств процессов их изготовления, соответствием этих
процессов и их результатов установленным требованиям. Основными
параметрами, определяющими качество элементов изделия являются
точность их изготовления, качество поверхности и физико-механические
свойства материалов, из которых они изготовлены.
3.2.Показатели качества поверхности
Поверхности, ограничивающие элементы изделия и отделяющие их от
окружающей среды, оказывают решающее влияние на их эксплуатационные
29
параметры и работоспособность изделия в целом. Характеристики
поверхностных слоев непосредственно связаны с контактной жесткостью,
виброустойчивостью, усталостной прочностью, коррозионной стойкостью,
прочностью сопряжений, плотностью соединений, теплоотражением,
прочностью сцепления с покрытием, сопротивлением обтеканию газами и
другими эксплуатационными показателями. Качество поверхности элементов
изделия определяется совокупностью характеристик шероховатости и
волнистости, физико-механических, химических свойств и микроструктуры
поверхностного слоя. В процессе изготовления на поверхности
обрабатываемого изделия возникают неровности; в поверхностном слое
изменяется структура, фазовый и химический состав, возникают остаточные
напряжения.
3.2.1. Геометрические характеристики качества
Основными геометрическими характеристиками качества поверхности
производимого изделия являются шероховатость и волнистость.
Износостойкость, сопротивление коррозии и другие эксплуатационные
качества изделий во многом зависят от шероховатости поверхности, под
которой понимается совокупность неровностей, рассматриваемых на
определенной длине.
Все, даже очень тщательно обработанные поверхности, не абсолютно
гладкие. Например, на поверхности, обработанной лезвийным инструментом,
остаются следы в виде гребешков и впадин. После холодного пластического
деформирования металлов поверхности их могут иметь микронеровности в
виде беспорядочно расположенных углублений и выпуклостей, плавно
переходящих одна в другую.
Для оценки шероховатости в России, как и в большинстве стран мира,
наибольшее распространение получили среднее арифметическое отклонение
Ra профиля и высота Rz неровностей профиля по десяти точкам.
Для указания шероховатости в технической документации
используются специальные знаки. Числовое значение параметра
шероховатости (для Ra это от 100 до 0,008 мкм; для Rz – от 1600 до 0,025
Если условное обозначение параметра шероховатости отсутствует, это
означает, что приведено значение параметра Ra , если присутствует – Rz .
Другие знаки используются для указания, что данная поверхность должна
быть обработана со снятием материала, либо не обрабатываться вообще,
либо обрабатываться деформированием или литьем.
Параметры шероховатости поверхности контролируются либо
сравнением с образцами визуально или с помощью микроскопа, либо
определением значений этих параметров с помощью специальных приборов:
профилографов, профилометров, приборов светового сечения и т.п.
3.2.2. Физико-механические свойства поверхности
Физико-механические
свойства
в
поверхностных
слоях
обрабатываемых изделий всегда отличаются от свойств в сердцевине. Это
объясняется
особенностью
технологических
процессов
обработки
30
поверхностей.
Характеристиками
физико-механического
состояния
поверхностного слоя являются глубина деформированного слоя, уровень и
знак остаточных напряжений. Поверхностный слой изделия, прошедшего ту
или иную обработку, отличается искажениями кристаллической решетки,
наволакиванием зерен материала друг на друга и их разрушением. Часть
слоя,
расположенная
ближе
к
поверхности,
характеризуется
раздробленностью кристаллов и связанным с этим резким повышением
микротвердости. Глубина этого слоя может достигать 2 мм и зависит не
только от вида обработки поверхности, но и от вязкости обрабатываемого
материала. Для хрупких материалов глубина дефектного слоя может
составлять доли миллиметра.
Поверхностный слой всегда имеет напряжения, отличные от
напряжений, возникающих в сердцевине материала. Это обстоятельство
решающим образом сказывается на потребительских свойствах изделия.
Особенно сильно проявляется действие напряжений поверхностного слоя на
выносливость элементов изделия и высокие требования по точности
размеров и формы. Величина и знак напряжений поверхностного слоя
целиком определяются методом обработки. Если в нем образовались
растягивающие напряжения, то они могут складываться с напряжениями,
возникающими в ходе эксплуатации изделия, что может привести к
снижению прочностных свойств и даже выходу из строя. Сжимающие
напряжения, как правило, положительно влияют на служебные свойства
элементов изделий (выносливость и износостойкость), поэтому следует
отдавать предпочтение методам обработки, способствующим возникновению
этих напряжений.
Для определения глубины деформированного слоя используют " метод
косых срезов " , когда на исследуемой поверхности делают срез под углом
0,5 – 2 градуса и производят под действием небольшой силы внедрение в
материал среза алмазной пирамиды. На поверхности остаются отпечатки,
диагональ которых измеряют (при наблюдении в микроскоп) с помощью
микрометрического отсчетного устройства. Отпечатки можно оставлять в
различных зонах поверхностного слоя и по ним определять микротвердость,
по величине которой судят о состоянии материала.
3.3. Научные основы выбора конструкционного материала
Поведение конструкционного материала под действием рабочей
нагрузки описывает известная диаграмма деформации (рис.3.5).
31
Рис. 3.5. Диаграмма упруго-пластической деформации материала
Характерные точки на этой диаграмме представляют собой
стандартные характеристики
( в,  т,  пц,  ,  ). Площадь на диаграмме соответствует работе,
это модуль упругости при растяжении, характеризующий жесткость
материала.
3.3.1. Методы управления механическими свойствами
3.3.1.1. Термическая обработка материалов
При работе изделия даже в условиях статических нагрузок надежность
его в значительной степени определяется запасом пластичности материала. В
свою очередь пластичность зависит от вида термической обработки, которой
был подвергнут конструкционный материал. Как было рассмотрено ранее (в
курсе «Технология конструкционных материалов») термическая обработка
подразделяется на собственно термическую, термомеханическую и химикотермическую. Собственно термическая обработка заключается только в
термическом воздействии на металл или сплав, термомеханическая – в
сочетании термического воздействия и пластической деформации, химикотермическая – в сочетании термического и химического воздействия.
Собственно термическая обработка включает следующие основные виды:
1.
Отжиг – термическая обработка с нагревом до температур,
превышающих температуру фазовых или структурных превращений, с
выдержкой и медленным охлаждением, обеспечивающим получение
равновесной структуры.
2.
Закалка – термическая обработка с нагревом выше температур
фазовых превращений, выдержкой и быстрым охлаждением, фиксирующим
неравновесное состояние.
3.
Отпуск - термическая обработка с нагревом ниже температуры
полиморфного превращения, с выдержкой и охлаждением, обеспечивающим
получение более равновесной структуры и оптимальное сочетание
служедных свойств.
4.
Старение – термическая обработка, осуществляемая путем
изотермической выдержки при повышенной или комнатной температуре,
32
обеспечивающей увеличение прочности и твердости при одновременном
снижении пластичности и ударной вязкости.
После закалки материал подвергается отпуску. Различают 3 вида
отпуска: низкий, средний и высокий.
Низкий отпуск применяют обычно в тех случаях, когда требуется
наибольшая твердость. Интервал нагрева – 150-200 град. С. При этом
мартенсит закалки распадается на феррит и мельчайшие карбиды.
Уменьшение остаточных напряжений и некоторое падение твердости
компенсируется выделением карбидов, которые служат тормозом для
дислокаций и обеспечивают повышение твердости. В результате низкого
отпуска твердость закаленной стали сохраняется, а хрупкость несколько
уменьшается. Такую структуру называют отпущенным мартенситом. У
инструментальных сталей достигается твердость по Роквеллу 62 - 64
единицы.
Средний отпуск (300-400) град. С сопровождается распадом
мартенсита на мелкодисперсную смесь феррита и цементита, различимую
только в электронный микроскоп и называемую троститом. Достигаемая
твердость по Роквеллу порядка 50 единиц и очень высокий предел упругости.
Применяется для пружин и рессор.
Высокий отпуск (500-600) град. С дает структуру сорбита с невысокой
твердостью по Роквеллу 30-35 единиц, но зато с относительно высокой
пластичностью и ударной вязкостью, что делает высокоотпущенную сталь
надежной при работе в условиях динамических нагрузок (кулачки, рычаги,
толкатели и т.п.).
Для сравнения энергоемкости разрушения пластичного и хрупкого
материалов рассмотрим сталь 45 в состоянии после низкого и высокого
отпуска. Ее механические характеристики представлены в таблице 3.1.
Таблица 3.1
Характеристики
Низкий отпуск 200 град С
Высокий отпуск 500 град. С
1150 Мпа
550 МПа
1350 Мпа
800 МПа
3%
10%
Анализ диаграмм растяжения показывает, что деталь, изготовленная из
более пластичного материала, оказывается во много раз более энергоемкой,
чем изготовленная из хрупкого. Соответственно увеличивается и ее
надежность, так как уменьшается риск разрушения от случайных перегрузок.
Особенно большую роль играет это обстоятельство в условиях динамических
нагрузок.
33
Рис. 3.6. Энергоемкость разрушения материала в различных состояниях
Выбор того или иного вида термообработки обеспечивает управление
механическими свойствами конструкционного материала, однако не все
материалы обладают такой способностью.
3.3.1.2. Технологические характеристики конструкционных материалов
Рассмотрим некоторые важные характеристики конструкционных
материалов.
Закаливаемость – это способность конструкционного материала
повышать прочность и твердость в результате закалки. Она зависит от
содержания углерода, т.к. чем более насыщен углеродом мартенсит, тем
выше его твердость. Можно считать, что сталь закаливается, если в ней
углерода 0,30% или более. В этом случае достигается твердость 50 и более
единиц по Роквеллу, тогда как при содержании углерода 0,1% твердость
мартенсита не превосходит 30 единиц.
Прокаливаемость – способность закаливаться на определенную
глубину, зависит от содержания легирующих элементов и практически не
зависит от содержания углерода. Влияние легирующих элементов на
прокаливаемость объясняется торможением диффузии углерода при
охлаждении в процессе закалки и способствует образованию мартенсита
даже в тех слоях, которые охлаждаются относительно медленно. Повышение
прокаливаемости стали сопровождается также ростом сопротивления
распаду мартенсита при последующем отпуске. Она характеризуется
критической толщиной материала, прокаливающегося насквозь.
При равной твердости и прочности различные стали с одинаковым
содержанием углерода прокаливаются на разные толщины, в зависимости от
содержания легирующих элементов (см. таблицу 3.2).
Таблица 3.2
Сталь
Критическая толщина, мм
40
15
40Х
30
40ХН
70
40ХНМА
100
34
Свариваемость – это способность образовывать надежное сварочное
соединение. Она оценивается соответствием свойств шва свойствам
основного металла и несклонностью к образованию трещин, пор и шлаковых
включений. Хорошо свариваются однородные металлы, а разнородные –
ограниченно или плохо. Углеродистые стали хорошо свариваются при малом
содержании углерода (до 0,25%), т.к. у них не происходит охрупчивания и
образования закалочных трещин. Наличие легирующих элементов (кроме
никеля) ухудшает свариваемость (таблица 3.3). Чистый алюминий
сваривается удовлетворительно,
Таблица 3.3
Сталь
Балл
Сталь
Ст1кп
8
40
Ст4кп
8
40ХГ
БСт1сп
9
40ХГСА
9
70Г
4
8
50ХН
3
БСт4сп
08
Свариваемость
Хорошая
9Х
У7-У13
Свариваемость
Балл
6
Удовлетворительная
Плохая
6
5
2
2-1
однако имеет низкую прочность. Дюралюмины и силумины
свариваются плохо, так как на поверхности образуется оксид Al2O3 с
температурой плавления 2050 град. С при Тпл алюминия 658 град. С. Сварка
меди также затруднена образованием оксида Cu2O, реагирующего с
водородом, ведущим к образованию трещин. Медь должна быть чистой:
менее 0,05% примесей. После сварки необходимо проковать шов.
У латуней в процессе теплового воздействия при сварке идет испарение
цинка. Необходим предварительный прогрев до 500 град. С, шов надо
проковать, а затем дать отжиг при 700 град. С.
Титан требует надежной защиты от окисления воздухом даже в стороне
от шва, а также и с обратной стороны. Поэтому приходится использовать
аргоно-дуговую, автоматическую под флюсом и точечную сварки с
последующим отжигом при температуре 600 град. С.
Упрочняемость пластическим деформированием основана на том,
что в результате воздействия на металл обрабатывающего инструмента
твердость его существенно возрастает, а пластичность и ударная вязкость
падают. Это – результат искажения кристаллической решетки, дробления
зерен и блоков. В тех случаях, когда пластичные металлы не поддаются
упрочнению методами термической обработки, наклеп – единственный
способ повысить прочность материала. Правда, он невозможен для металлов,
имеющих рабочую температуру выше их порога рекристаллизации, т.е. для
таких, как олово, свинец, цинк и висмут.
3.3.2. Эксплуатационные факторы, влияющие на выбор материала
35
Пластическое деформирование часто приводит к изменениям во
времени формы и размеров деталей, т.е. сопровождается размерной, а точнее
геометрической нестабильностью. Природа ее состоит в распаде
неустойчивых структурных составляющих (например, пересыщенных
твердых растворов) и в релаксации остаточных напряжений. Так, шпиндели
точных токарных станков даже без нагрузки с течением времени могут
потерять свою точность, отверстия в больших поковках из круглых
становятся эллиптическими, станины коробятся, чугунные детали в процессе
циклических нагревов "растут" и т.д. "Рост" чугуна – результат распада
цементита и образование более рыхлого графита, а главное – окисление
проникающим в металл кислородом. Аналогичное явление наблюдается и в
результате многочисленных нагревов и охлаждений у многих металлов, в
частности, у титановых сплавов.
Для повышения геометрической стабильности следует:
1.
выбирать металлы и сплавы с медленным протеканием
диффузии, например, стали, легированные растворимыми примесями;
2.
использовать стали, не склонные к распаду пересыщенных
твердых растворов;
3.
проводить стабилизирующую обработку, т.е. подвергать
пластическим деформациям для "срезания" пиковых напряжений или
галтовке, резонансным вибрациям или использовать быстрые циклические
нагревы (тепловые удары), а также естественное или искусственное старение;
4.
избегать технологии, связанной с появлением высоких
остаточных напряжений.
Напряжения первого рода – это напряжения, уравновешивающиеся в
масштабах всего изделия, т.е. макроскопические напряжения. Они могут как
разупрочнять, так и упрочнять металл, поскольку, суммируясь с рабочими
напряжениями сжатия на поверхности изделия, могут препятствовать
развитию поверхностной трещины. Сопротивление металла сжимающим
напряжениям значительно выше, чем сопротивление растягивающим,
поэтому правильное распределение напряжений первого рода способно
обеспечить существенное повышение общей прочности металла, особенно в
условиях действия циклических напряжений.
Сильное снижение прочности и пластичности происходит также
вследствие концентраторов напряжений в виде дефектов макроскопических и
микроскопических размеров. Первые – следствие всякого рода надрезов,
сверлений и выточек на реальной детали, вторые – это микротрещины,
микроскопические инородные включения, царапины и плены. Чем они острее
и глубже, тем сильнее падает прочность металла. Особенно опасны они для
хрупких металлов, у которых вблизи вершины концентратора не происходит
релаксации напряжений. Такие материалы следует проверять на вязкость
разрушения. Для уменьшения опасности острые надрезы нужно скруглять,
делая так называемые галтели.
Для повышения выносливости деталей требуется:
36
1.
Исключение опасных концентраторов напряжений в виде острых
надрезов, сверлений, переходов по толщине.
2.
Повышение предела текучести закалкой, наклепом, химикотермической обработкой.
3.
Обеспечение достаточной прокаливаемости для упрочнения на
всю толщину детали.
4.
Создание на поверхности сжимающих напряжений и всяческое
уменьшение растягивающих, которые могут возникнуть, например, в
результате покрытий типа цинкования и кадмирования.
5.
Получение максимально гладкой поверхности, лучше всего
полированной.
Прочность
существенно
зависит
также
от
гомогенности
микроструктуры и характера микроструктуры, учитывающего наличие
волокна, текстуры, зон транскристаллизации
3.4. Методы управления характеристиками поверхностного слоя
3.4.1. Процессы, происходящие в поверхностном слое изделий при
эксплуатации
Изнашивание – процесс постепенного изменения размеров тела при
трении, проявляющийся в отделении с поверхности трения частиц материала
или в его остаточной деформации. Важно отметить, что по причинам
изнашивания выходят из строя 80 -90% всех деталей машин.
Процессы изнашивания очень сложны и обычно сочетают
механические, физические и химические воздействия. На рис. 3.7
представлена классификация механизмов изнашивания. Обычно происходит
сочетание нескольких видов
Рис. 3.7. Классификационная схема механизмов изнашивания
механизмов одновременно и преобладание одного из них. В
соответствии с этим приходится выбирать те или иные способы повышения
износостойкости. Рассмотрим механизмы изнашивания и меры борьбы с
ними.
Абразивный износ заключается в срезании гребешков на поверхности
детали или прорезании канавок внедряющимися в поверхностные слои
какими-либо
твердыми
частицами.
Следовательно,
повысить
износостойкость можно, повысив твердость поверхности. Это достигается
как выбором материала, так и упрочняющей обработкой: ТО, ХТО, ППД, а
также нанесением твердых покрытий и наплавок.
Усталостный износ – результат циклического воздействия гребешков
одного тела на гребешки другого. Следует иметь в виду, что чем выше
37
удельное давление, тем интенсивнее идет износ. Однако рассчитать это
давление как отношение действующих усилий к геометрическим размерам
деталей нельзя, так как площадь фактического контакта всегда значительно
меньше, чем номинальная площадь поверхности. При сближении тел первый
контакт происходит всегда по трем точкам. Далее сила трения растет с
увеличением площади фактического контакта. При скольжении тел друг по
другу циклические нажатия (и сдвиги, сопровождающиеся периодическими
растяжениями и сжатиями) приводят к накоплению усталостного
повреждения вследствие скопления дислокаций у препятствий. Возникают
субмикротрещины, перерастающие в микротрещины, ведущие к локальному
разрушению поверхности ("питтинг"). Особенно характерно такое
разрушение для деталей типа подшипников качения. Повышение
износостойкости достигается высокой поверхностной твердостью и
созданием сжимающих поверхностных напряжений. Следует, однако,
отметить одно противоречие: при росте твердости растет и сопротивление
износу, но из-за повышения жесткости уменьшается площадь фактического
контакта, а значит растет и удельное давление. Вот почему капроновые
шестерни могут иметь большую долговечность, чем стальные. Площадь
фактического контакта у капрона в 15 раз больше, а давление в 15 раз
меньше, чем устали. Интересно отметить, что "естественная" твердость
материала дает безусловное повышение износостойкости, тогда как
повышение твердости методами ТО и ППД оказывается малоэффективным,
так как "искусственное" повышение твердости сопровождается переводом
металла в энергетически менее устойчивое состояние и достигается ценой
потери пластичности.
Адгезионный износ представляет собой отрыв частиц металла
вследствие сдвигания мгновенно приварившихся участков. Уменьшение
такого износа достигается использованием разнородных металлов, у которых
нет близкого химического сродства. Повышение температуры увеличивает
адгезию вплоть до схватывания, поэтому необходимо обеспечивать
соответствующее охлаждение. Особую роль здесь играет смазка.
Избирательный перенос – особая форма изнашивания, когда атомы
более мягкого металла, например, меди переносятся на поверхность более
твердого, например, стали, а затем, при достижении некоторой толщины слой
начинает разрушаться с обратным переносом меди. При этом атомы меди
почти не выносятся из зоны трения, и износ оказывается минимальным.
Повышение стойкости здесь достигается правильным выбором трущихся
материалов и состава смазки. Следует иметь в виду, что смазка может не
только уменьшать износ, но и вызывать расклинивание поверхности металла
вследствие эффекта Ребиндера, ускоряя изнашивание.
Окислительное изнашивание состоит в образовании и истирании
окисных пленок трущихся поверхностей металла. Обычно окисные пленки не
склонны к схватыванию (так как связи насыщены), и скорость их износа не
связана с твердостью основного металла. Главное – сопротивление износу
самих пленок. Этот механизм характерен для подшипников качения. Главная
38
роль в повышении износостойкости принадлежит правильному выбору
смазки.
Фреттинг-коррозия протекает при малых взаимных перемещениях
контактирующих деталей в результате вибраций или упругих деформаций.
Она идет в несколько этапов: сначала – наклеп, схватывание
соприкасающихся поверхностей на выступах, разрушение оксидных пленок.
Затем – медленная стадия коррозионного повреждения с образованием
активной среды из влаги и кислорода на поверхности оксидов и быстрое
разрушение разрыхленных слоев. Эта стадия совершенно недопустима.
Повышение износостойкости достигается повышенной твердостью и
коррозионной стойкостью поверхностей.
Изнашивание имеет три явно выраженных этапа: приработка,
протекающая в относительно короткое время со значительным износом;
нормальный износ, идущий медленно и монотонно; катастрофический износ.
Сейчас получают распространение твердые смазки (графит, слюда,
дисульфид молибдена), в которых происходит послойное скольжение
вещества. Наиболее стабильно работает графит.
3.4.2. Выбор технологии упрочнения поверхностного слоя изделия.
Выбор износостойких материалов диктуется превалирующим
механизмом изнашивания. Расчеты разработаны слабо, однако существует
несколько правил. Так, при однородной паре необходима разность твердости
не менее 10 единиц Бринелля. Правило Шарпи диктует необходимость
использования подшипника из сплава с гетерогенной структурой типа
баббита. На вал иногда рекомендуется наносить тонкий слой легкоплавкого
покрытия. Необходимо также обеспечивать положительный градиент
механических свойств по глубине детали, т.е. чем глубже, тем прочнее
должен быть металл.
Однако выбор материала нельзя оторвать от типа смазки: чем надежнее
смачивание и удержание ее на поверхности, тем сильнее влияние на
стойкость.
В тех случаях, когда высокая твердость требуется не во всем объеме
детали, а только на ее поверхности применяют поверхностную закалку,
например, с нагревом ТВЧ или газопламенным нагревом. В последнее время
начали применять и другие методы поверхностного упрочнения, например,
лазерной обработкой, когда поверхность металла мгновенно нагревается до
высокой температуры и тут же остывает из-за высокой теплопроводности
металла. Возникает тонкий слой закаленного металла с исключительно
мелким зерном и высокой твердостью. Эффективен поверхностный нагрев
потоком плазмы, имеющим в центре температуру 10-20 тыс. градусов.
Эффект – аналогичен лазерному упрочнению.
Химико-термическая обработка (ХТО) состоит в том, что
поверхностные слои изделий насыщаются при высокой температуре какимлибо легирующим элементом, причем его атомы не просто адгезируются
поверхностью, но и диффундируют вглубь, искажая кристаллическую
решетку и прочно закрепляясь в ней. Наиболее распространены цементация,
39
азотирование,
цианирование
(нитроцементация),
алитирование,
силицирование, хромирование. Применяются также и многокомпонентное
насыщение,
обеспечивающее
одновременно
несколько
эффектов.
Наибольшая поверхностная твердость достигается при хромировании и
борировании, коррозионная стойкость – при хромировании, никелировании и
силицировании, окалиностойкость – при алитировании и т.д. Следует иметь в
виду, что ХТО – это продолжительная и дорогая обработка, а новые
ускоренные процессы дают менее надежные и хуже работающие слои.
Поверхностное упрочнение может осуществляться нанесением
покрытий методами химического и физического осаждения, ионным
упрочнением, термическим и плазменным напылением. Толщина покрытий
при различных методах может колебаться от нескольких микрометров до
миллиметров.
Широкое промышленное применение нашел метод химического
осаждения из газовой фазы износостойких покрытий на твердосплавный
инструмент. Это покрытия на основе карбидов и нитридов титана, хрома и
ниобия а также оксидов алюминия и некоторых других соединений.
Формирование осуществляется осаждением до нескольких мкм в час из
газовой среды при температурах 950…1000 град. С. Покрытия могут быть
однослойными и многослойными. Стойкость режущих пластин с покрытием
возрастает в 3-4 раза.
Другим перспективным методом нанесения износостойких покрытий
является ионно-плазменное напыление в вакууме. Этот метод дает
возможность получения покрытий с хорошей адгезией, обеспечивает малую
плотность и равномерную структуру покрытий без предварительной очистки
и прогрева, а также равномерные по толщине покрытия на инструменте
любой конфигурации. Наибольшее распространение получили покрытия из
нитрида титана золотистого цвета. Они предпочтительны для инструмента из
быстрорежущих сталей благодаря сравнительно низким температурам
процесса, но применяются и для металлокерамических сплавов. Процесс
может быть многократно повторен после переточки инструмента, что
позволяет увеличить срок службы инструмента в 15 - 20 раз. Для реализации
ионно-плазменного напыления отечественной промышленностью созданы
установки типа "Булат-3Т", работающие при температурах от 200 град. С и
выше. Это позволяет наносить износостойкое покрытие не только на
инструмент из быстрорежущей стали с температурой отпуска после закалки
520…540 град. С, но и на инструмент из высокоуглеродистой
инструментальной стали с температурой отпуска после закалки 200…300
град. С.
К новым малоизвестным технологическим процессам поверхностного
упрочнения твердосплавных инструментов относится ультразвуковая
обработка. Сущность ее состоит в том, что изделие из твердого сплава
подвергается ударам с частотой 20…22 кГц. В вольфрамокобальтовых
твердых сплавах под действием ультразвуковой обработки определенной
интенсивности происходят структурные изменения. К преимуществам такой
40
обработки можно отнести: экспрессность (длительность обработки
составляет 30…150 с), высокую производительность, низкую себестоимость
и значительное повышение срока службы упрочненных изделий (стойкость
инструмента возрастает в 1,3…2,5 раза). Аналогичный эффект имеет место и
при обработке сталей.
3.5. Защита от коррозии
Не менее опасным оказывается и явление коррозии, которую
подразделяют на химическую и электрохимическую. Известно, что коррозия
уносит в год от 10 до 30 % всего добываемого металла.
Химическая коррозия – это химическое взаимодействие материала с
окружающей средой, ведущее к разрушению материала. Поскольку продукты
окисления остаются на поверхности, то процесс обычно затухает, происходит
пассивация. Образующаяся на поверхности пленка в ряде случаев
обеспечивает надежную защиту. Такая пленка характерна для благородных и
ряда цветных металлов.
Гораздо опаснее оказывается электрохимическая коррозия. Ее схему
можно представить так. При погружении металла в жидкую среду его атомы
начинают притягиваться к атомам жидкости и переходят в нее. Электроны
остаются в металле, вызывая возникновение отрицательного заряда. После
того, как заряд достигнет определенной величины, наступает равновесие
между уходящими и возвращающимися ионами. Наклеп, искажающий
кристаллическую решетку, облегчает уход ионов, ускоряя коррозию. Ионам
легче уходить с выступов, чем из впадин. Поэтому во впадинах возникает
повышенная концентрация ионов, а возникающая поляризация приводит к
накоплению ионов водорода именно в ямках, так как они удаляются из ямок
труднее. Там электролит становится очень "кислым", и коррозия резко
усиливается. Чем выше гребешки на поверхности металла, тем больше будет
разность потенциалов на вершинах и впадинах, тем сильнее идет коррозия.
Отсюда вытекает важность геометрической характеристики качества
поверхности металла для повышения коррозионной стойкости.
Защита металлов и сплавов от коррозии осуществляется различными
способами. Покрытие металла другими, более стойкими металлами,
эффективно только при условии целостности защитного слоя. Применение
олова, серебра, золота и хрома в случае появления в защитном слое трещины
превращает "щит" в оружие коррозии. Напротив, применение таких
металлов, как цинк и кадмий, оказывается эффективным и при нарушении
сплошности слоя, так как возникает гальванопара обратного знака, и пока на
поверхности стали есть достаточное количество цинка, коррозия основного
материала не идет.
Очень устойчивы эмали, т.е. горячие покрытия, получаемые отжигом
специального состава и оксиды натрия, калия, алюминия, борный ангидрид и
фтор. Однако, трущиеся и ударяющиеся поверхности покрывать эмалями
нельзя. Для защиты широко применяют гальваническое хромирование, но
хром не дает плотного слоя, в результате чего происходит коррозия
основного металла. Поэтому приходится применять многослойные покрытия,
41
например, медь-хром или медь-никель-хром. У трущихся деталей суммарная
толщина покрытия должна повышаться с 20 до 60 мкм. Твердое покрытие
хромом обеспечивает хорошую износостойкость.
Для защиты пружин применять металлизацию нельзя, так как либо
разрушается слой, либо снижается выносливость. Пружины подвергаются
фосфатированию, после чего их непременно надо окрасить.
Несколько слабее действует оксидирование (воронение), которое дает
черную или синеватую пленку толщиной 0,6-0,8 мкм. Его ведут либо в
химическом растворе при 120 град., либо нагреванием тонкого масляного
слоя.
Наиболее надежные покрытия получают методами ХТО (азотирование,
хромирование, никелирование). Основной их недостаток – они дороги и
трудоемки.
Для уменьшения коррозии применяют всевозможные краски и лаки,
широко используя синтетические пленкообразующие, применяют нанесение
полимерных пленок. Есть также и способы введения ингибиторов, которые
уменьшают коррозионное воздействие среды, например охлаждающей воды.
Для борьбы с электрохимической коррозией еще Дэви предложил
метод протекторной защиты медной обшивки кораблей (1824 г.), состоящей в
том, что на медную обшивку подвешивают цинковые или железные
протекторы, выступающие в качестве анода. Сейчас протекторы делают из
магниевого сплава МЛ-4 массой от 5 до 20 кг. Срок их службы – 5 лет. Так
защищают подземные трубопроводы, цистерны и кессоны.
Наиболее радикальный метод борьбы с коррозией – это применение
соответствующих материалов, например, нержавеющих сталей. Сейчас – это
либо хромистые стали мартенситного или ферритного класса, либо
хромоникелиевые стали аустенитного класса. Наличие 11,6% хрома в стали
обеспечивает сплошной защитный слой, образуя пленку, плотно
закрывающую поверхность. Однако механические свойства такого
легированного феррита невысоки (предел прочности 600-700 МПа).
Повышение содержания углерода до 0,3% увеличивает прочность и
твердость стали, снижая ее пластичность ввиду перехода стали в
мартенситный класс (предел прочности до 1700 МПа). Такие стали пригодны
для режущего инструмента, но имеют пониженную коррозионную стойкость
ввиду того, что углерод отвлекает часть хрома на образование карбидов.
Наивысшая стойкость достигается у стали 0Х13 в полированном
состоянии. Если же ее поверхность только шлифована, то стойкость
оказывается ненамного выше, чем у простой углеродистой стали. Поэтому в
ответственных случаях, особенно в тропическом климате, следует применять
стали аустенитного класса, т.е. дополнительно легированные еще и никелем,
расширяющим
область
существования
гамма-железа.
Поскольку
растворимость любых примесей в аустените во много раз выше, чем в
феррите, такие стали после закалки при 1100 град. С в воде и отпуска имеют
предел прочности 550 Мпа и очень высокую коррозионную стойкость в
кислотах и щелочах. Для дальнейшего повышения их стойкости применяют
42
дополнительное легирование 1% титана или ниобия, которые, присоединяя к
себе углерод, предохраняют хром от участия в карбидообразовании.
Дефицитный никель сейчас стараются заменить марганцем, но при этом
снижаются технологические свойства и падает пластичность.
В тех случаях, когда оказывается невозможным применять даже
нержавеющую сталь применяют цветные сплавы типа латуни, бронзы,
титана. Крупные отливки с повышенной коррозионной стойкостью
изготовляют из легированных чугунов, содержащих 10-15% никеля и хрома.
3.6. Полимерные материалы
Полимерные материалы обладают высокой теплостойкостью,
сопротивлением к истиранию, износу, отношением прочности к массе,
технологичностью.
Среди полиамидных композитов функционального назначения
представляют
интерес
электропроводные,
самосмазывающиеся
и
ударопрочные пластмассы. Электропроводность пластмасс достигается
введением в полимер электропроводного наполнителя. Для получения
композитов, рассеивающих статическое электричество, используется сажа.
Стальные волокна придают материалам электропроводность и уменьшают их
усадку. Введение углеродных волокон позволяет получать высокопрочные
детали стабильных размеров.
Для изготовления шестерен, подшипников, кулачков и других изделий,
которые должны обладать повышенными функциональными свойствами,
рекомендуются
самосмазывающиеся композиции. Для
улучшения
функциональных свойств в состав полимеров включают различные добавки:
полиэтилентерефталат, жидкие силиконы, графит, сульфид молибдена.
Акриловые полимерные волокна по прочности превосходят металлы.
Для переработки полимеров используются традиционные методы:
экструзия, литье под давлением и прессование. К настоящему времени
созданы агрегаты, позволяющие получать пленку шириной 24 и более
метров, осуществлять ориентационную вытяжку ультратонких пленок
толщиной 2…5 мкм и даже менее 1 мкм, получать листы толщиной более 20
мм методом экструзии.
Важной характеристикой современного конструкционного материала
является его так называемая удельная прочность (прочность, приходящаяся
на единицу плотности). По этому показателю значительное превосходство
перед металлами имеют наполненные и армированные полимерные
композиционные материалы на основе тонких металлических, стеклянных,
графитовых и других типов волокон и термореактивных связующих (таблица
3.6.1). Если текстолиты по удельной прочности приближаются к
высокопрочным металлам, то полимерные
43
Таблица 3.6.1
Материал
Плотность
Сталь
1500 – 2000
7,8
200 – 255
500 – 750
2,7
200 – 275
Сплавы на основе титана
1000 – 1500
4,5
220 - 330
Наполненные и армированные полимеры
500 – 1000
2,0
250 – 500
Металломатричные композиции
500 – 1000
3,5
140 - 280
Сплавы на основе алюминия
композиты однонапрвленного армирования их по этому показателю
существенно превосходят. Это объясняется чрезвычайно высокой
прочностью тонких волокон на растяжение, обусловленной при отсутствии
механических повреждений практически межмолекулярными связями. Роль
полимера в таких композициях - связать в единое целое разрозненные
волокна и заставить их работать одновременно в составе конструкционного
материала. Поэтому он должен обладать высокими адгезионными
характеристиками и модулем упругости, приближающимся к модулю
упругости арматуры. Для изделий, работающих в условиях повышенных
температур, должна быть обеспечена и термостойкость связующего.
Основная технологическая трудность работы с такими материалами
состоит в том, что они в процессе переработки, не имея начальной
жесткости, должны принимать форму той оснастки, на которой
перерабатываются (рис.3.6.1).
Рис. 3.6.1. Формование корпуса лодки из стеклопластика
1 – оправка;
2 – армированная стеклотканью полимерная композиция.
Поэтому наибольшей прочности материала удается достичь на
изделиях сравнительно простой формы, получаемых методом намотки ленты
из однонаправленных волокон, пропитанных связующим (сфера, цилиндр,
тор и т.п.). В остальных случаях формирование изделия осуществляется
послойной выкладкой пропитанной полимером ткани с прикаткой или
созданием тем или иным способом небольшого внешнего давления. Свою
окончательную форму изделие приобретает в процессе полимеризации
(холодной, горячей, ядерной).
Из наиболее известных областей применения таких материалов – это
корпуса ракет и ракетных двигателей разнообразной формы, корпуса судов и
44
лодок, планеров, элементов корпусов автомобилей, защитных головных
уборов (каски) и одежды (бронежилеты), телескопические удилища, изделия,
применяемые в строительстве, медицине и многое другое.
3.7. Металломатричные композиционные материалы
Металломатричные композиты (ММК) образованы металлической
матрицей из свинца, цинка, алюминиевых, магниевых, титановых, медных
сплавов с упрочняющим наполнителем из углеродных волокон, нитевидных
кристаллов карбида и нитрида кремния, короткие волокна окислов
алюминия, кремния, хрома, длинные непрерывные волокна в виде мононитей
диаметром 100…200 мкм, получаемых методом химического осаждения
паров бора, карбида кремния, графита или окиси алюминия. Используются
также металлические нити, в частности, из нержавеющей стали.
Для увеличения износостойкости в ММК включают окись алюминия,
для снижения коэффициента теплового расширения – карбид кремния.
ММК обеспечивают высокие значения таких характеристик
получаемого материала, как сопротивление срезу, усталости износу,
прочность на разрыв при повышенных температурах эксплуатации,
изотропность свойств.
3.8. Сверхтвердые керамические материалы
В настоящее время технический уровень ведущих отраслей
промышленности во многом определяется объемом применения новых
конструкционных материалов, в частности керамических материалов.
Несмотря на достаточно высокую стоимость изделия из керамики
пользуются спросом благодаря хорошим потребительским свойствам. Эти
материалы привлекают внимание разработчиков авиакосмической,
автомобильной, химической, электронной и других видов техники благодаря
уникальному сочетанию механических, теплофизических, химических,
электромагнитных, оптических и других свойств. Детали из керамики
хорошо работают в агрессивных и абразивных жидкостях, в качестве
режущих инструментов. Применение материалов и изделий из
конструкционной керамики позволяет создать новое поколение машин и
механизмов
со
значительно
более
высокими
качественными
характеристиками (производительностью, надежностью, материалоемкостью,
долговечностью), а также реализовать принципиально новые технические
решения.
Применение керамических материалов обусловлено следующими
преимуществами по сравнению с металлами и сплавами: доступностью и
дешевизной исходного сырья, более низкой плотностью, более высокой
удельной прочностью, износостойкостью и сопротивлением коррозии и
окислению. Инструмент из, например, окиси алюминия допускает
температуру в зоне резанья до 1550 град. С, в то время как алмазный
инструмент – до 750 град. С. Это позволяет в несколько раз увеличить
45
скорость резания. Шлифовальные круги из кубического нитрида бора могут
работать со скоростью до 80 м в сек и имеют большую стойкость. Кроме
того, использование керамики позволяет экономить дефицитные металлы
(вольфрам, молибден, никель, кобальт и др.).
Из недостатков керамических материалов основным считается
хрупкость, обусловленная жесткой связью в кристаллической решетке.
Физико-механические свойства некоторых современных керамических
материалов могут быть проиллюстрированы данными, приведенными в
таблице 3.8.1.
В мире налажено производство высококачественных керамических
изделий из материалов на основе нитрида кремния карбида кремния,
частично стабилизированного оксида циркония, диборидов.
В качестве примеров практического применения таких материалов
могут быть упомянуты лопатки турбины авиационного двигателя,
уплотнения
в
быстроходных
турбо-компрессорных
системах
газоперекачивающих станций, хирургия, металлообработка и многие другие.
Таблица 3.8.1
Параметр
Нитрид
кремния
Si3N4
Карбид
кремния
SiC
Оксид
аллюминия
Al2O3
Диоксид
циркония
ZrO2
Плотность, г / см3
3,5 – 3,9
3,1 – 3,2
3,9
5,7
Предел прочности
при 800 К, Мпа
при 1400 К, Мпа
450-500
400-450
700-1000
300-400
Модуль упругости, Гпа
160-320
350-420
390
200-250
1673
1923
1700
1373
Максимальная
эксплуатационная
температура, град
600
300
46
РАЗДЕЛ 2. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Тема 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС И ЕГО
СОСТАВЛЯЮЩИЕ
Разработка технологических процессов (ТП) входит основным
разделом в технологическую подготовку производства и выполняется на
основе принципов "Единой системы технологической подготовки
производства" (ГОСТ 14.001-83). ТП разрабатывается с использованием
имеющегося типового или группового ТП. При отсутствии таковых ТП
разрабатывается как единичный, с учетом ранее принятых прогрессивных
решений в действующих единичных ТП - аналогах.
Базовой исходной информацией для проектирования ТП служат:
рабочие чертежи изделия в электронном виде или в твердой копии,
технические требования, объем годового выпуска изделий, наличие
оборудования и оснастки.
Заготовка выбирается или проектируется, исходя из соображений,
представленных в следующем разделе. При необходимости проводится
технико-экономическое обоснование.
Маршрутная технология подразумевает всю обработку от заготовки до
готовой детали, разбитую на операции, следующие последовательно. Для
каждой операции выбирается оборудование и технологическая оснастка
(приспособления, обрабатывающий и измерительный инструмент). При
отсутствии необходимой оснастки оформляется заказ на ее проектирование и
изготовление. При разработке операционной технологии выбираются
технологические базы и схемы базирования. Применяются две системы
установочных баз - основные базы и черные базы, используемые для
базирования при обработке основных баз.
На первых одной-двух операциях маршрутной технологии при
базировании по черным базам обрабатываются основные технологические
базы.
Практически любой технологический процесс изготовления элементов
изделия даже средней сложности – это многоэтапный процесс, включающий
технологические операции, базирующиеся на разных ФЭ. Здесь и
разнообразные виды лезвийной обработки (точение, фрезерование,
сверление, строгание и т.д.), абразивной обработки (шлифование,
хонингование, полирование т т.д.), электрофизические (электроэрозионная,
плазменная,
анодно-механическая,
ультразвуковая,
лазерная)
и
электрохимическая, пластическим деформированием (накатка, раскатка,
дорнование, термофиксация) и многие другие виды обработки. Сущность
этих процессов будет рассмотрена в последующих частях курса.
Все они объединены единым технологическим процессом и
предусматривают превращение заготовки в готовый для сборки элемент
изделия при последовательном изменении от операции к операции его
точности размеров, качества поверхности и физико-механических свойств
47
конструкционного материала. Основные характеристики процессов
механической обработки материалов представлены в табл. 6.1.
В соответствии с единой системой технологической документации
(ЕСТД) технологические операции нумеруются числами через 5 или 10
(5,10,15, 20 и т.д. или 10,20,30,40 и т.д.). Установы обозначаются буквами
русского алфавита (А,Б,В и т.д.), а переходы цифрами, начиная с 1 (1,2,3,4 и
т.д.). Технологический процесс оформляется на специальных бланках ЕСТД
для маршрутной, маршрутно-операционной и операционной технологии в
зависимости от типа производства. Различают единичное, серийное и
массовое производство изделий. При единичном производстве изделия
изготавливаются единичными экземплярами, повторяемость которых редка
или отсутствует. В серийном производстве изделия изготавливаются сериями
или партиями. Количество изделий в партии определяется в зависимости от
характера серийного производства (мелко-серийное, средне-серийное,
крупно-серийное). При массовом производстве за каждым рабочим местом
закрепляется одна постоянно повторяющаяся (в течение определенного
календарного срока) операция.
Построение маршрутной технологии во многом зависит от
конструктивно-технологических особенностей элемента изделия и
требований точности и качества, предъявляемых к его основным, наиболее
ответственным поверхностям. Для основных поверхностей с учетом
точности выбранной заготовки и достижимых коэффициентов уточнения при
обработке,
выбирают
методы
обработки,
назначают
число
и
последовательность выполняемых переходов, определяют содержание
операций. Место обработки менее ответственных поверхностей определяется
конкретными условиями и не является принципиально важным. Если
обработку этих поверхностей по расположению и видам применяемых
инструментов можно вписать в основные операции, то ее включают в состав
этих операций в качестве переходов, выполняемых на черновой и чистовой
стадиях обработки.
В маршрутной технологии в процессе обработки предусматривается
контроль с целью технологического обеспечения заданных параметров
качества обрабатываемого элемента изделия. Технолог устанавливает объект
контроля и его место, обращает внимание на операции, при которых
точность обеспечивается наиболее трудно, назначает методы и средства
контроля, при их отсутствии выдает задание на их конструирование и
изготовление.
При проектировании новых производств в основе технологических
разработок и выбора оборудования должны находится прогрессивный
(типовой или единичный) ТП и технико-экономические обоснования,
подтверждающие выгодность применения нового высокопроизводительного
оборудования, сложных и дорогостоящих средств технологического
оснащения. На действующих предприятиях необходимо учитывать
имеющееся оборудование, однако это не должно оказывать решающего
влияния на разрабатываемый технологический процесс, если условия
48
производства (например, увеличенный за счет производственного
кооперирования годовой выпуск) обеспечивает рациональное использование
специального оборудования, достижение высокой производительности труда,
снижение себестоимости продукции.
Проектирование технологии – задача многовариантная; варианты
оцениваются по производительности и себестоимости, руководствуясь
технико-экономическими принципами проектирования, имея в виду
максимальную экономию времени и высокую производительность.
Технологические
процессы
обработки
типовых
деталей
машиностроения (валы , втулки, фланцы, зубчатые колеса, рычаги,
корпусные детали и т.д.) представлены в специальной технологической
литературе (см. список литературы в конце методического пособия [1,9,10]).
При разработке технологии сборки изделия рассматриваются
возможные варианты последовательности сборки, при которых
гарантируется получение изделий с требуемыми потребительскими
свойствами. Исходными данными для проектирования ТП сборки являются
сборочный чертеж изделия в электронном виде (включая объемное
изображение узлов и деталей , т.н. "рассыпуху") или в твердой копии,
технические условия его испытаний и приемки, программу выпуска изделий
и предполагаемую длительность выпуска изделий в годах. Цель
технологических разработок – дать подробное описание процессов сборки,
выявить необходимые средства производства, площади, рабочую силу,
трудоемкость и себестоимость сборки изделия.
Для установления последовательности сборки необходимо уточнить
служебное назначение изделия, проанализировать технические требования и
выбрать методы достижения точности замыкающих звеньев. Различают
методы сборки при полной, групповой или неполной взаимозаменяемости.
При производстве невзаимозаменяемых изделий на последовательность
сборки влияют пригоночные работы, промежуточные разборка и сборка
соединений, дополнительная обработка, очистка и контроль элементов
изделия.
Для условий сборки в различных промышленных отраслях могут
предусматриваться методы стационарной и конвейерной сборки.
Стационарная
сборка
предусматривается
при
производстве
крупногабаритных изделий с использованием оснастки в виде т.н. стапелей.
Элементы изделия подаются последовательно к месту сборки в определенной
технологической
последовательности.
При
конвейерной
сборке
определенные операции закреплены за отдельными рабочими местами, к
которым последовательно подается собираемое изделие.
Испытание собранных изделий – заключительная контрольная
операция качества их изготовления. Изделия испытывают в условиях,
приближающихся к эксплуатационным. Все виды испытаний можно свести к
приемочным, контрольным и специальным. При приемочных испытаниях
выявляются фактические эксплуатационные характеристики изделия
(точность, производительность, мощность, затраты энергии и т.п.), а также
49
правильность работы различных элементов и устройств. Контрольным
испытаниям подвергают изделия, у которых ранее были обнаружены
дефекты. При особо высоких требованиях к изделиям их подвергают после
сборки обкатке. Затем разбирают (частично или полностью), проверяют
состояние элементов, вторично собирают и подвергают кратковременным
контрольным испытаниям. Специальные испытания выполняют для изучения
износа, проверки безотказности работы отдельных элементов, установления
пригодности новых марок материалов и исследования других явлений.
Специальные испытания отличаются большой длительностью. Их программа
разрабатывается в зависимости от цели проведения испытаний. Таким
испытаниям подвергаются не только собранные изделия, но и их отдельные
элементы (коробки передач, водяные и масляные насосы и т.д.). Испытания
проводятся с использованием специальных стендов и камер.
Тема 5. ЗАГОТОВКИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
5.1. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК
ДЕТАЛЕЙ
Технологический
процесс
практически
в
любой
отрасли
промышленного производства складывается из трех основных этапов:
изготовление заготовок, изготовление элементов изделия, сборка. Отдельные
этапы могут быть объединены, но это скорее исключение, чем правило.
Для качественного функционирования заготовительного производства
очень важен современный подход к проектированию заготовки с точки
зрения оптимизации себестоимости ее изготовления с учетом объема
последующей обработки и коэффициента использования материала.
Необходимо также учитывать и объемы выпуска продукции, ибо от этого в
существенной степени зависит подход к построению технологического
процесса. Сокращение расхода металлов и других конструкционных
материалов достигается путем их более эффективного использования,
применения при проектировании новых изделий прогрессивных решений, а
также совершенствования методов обработки материалов.
Значительное сокращение расхода материалов может быть достигнуто
при переходе на принципиально новые технологические процессы
изготовления заготовок, размеры которых максимально приближаются к
размерам готовых деталей. Сокращение припусков на механическую
обработку в свою очередь связано с повышением точности заготовок и
уменьшением толщины дефектного поверхностного слоя. Технология
малоотходного производства способствует также интенсификации
механической обработки, так как в ряде случаев могут быть исключены
черновые операции (точение, зубофрезерование и другие), которые с успехом
заменяются силовым шлифованием или иной чистовой обработкой с
высокими режимами резания.
По мере усложнения конфигурации заготовки, уменьшения припусков,
повышения точности размеров и параметров расположения поверхностей
усложняется и удорожается технологическая оснастка заготовительного цеха
50
и возрастает себестоимость заготовки, но при этом снижается трудоемкость и
себестоимость
последующей
механической
обработки
заготовки,
повышается коэффициент использования материала. Заготовки простой
конфигурации дешевле, так как не требуют при изготовлении сложной и
дорогой технологической оснастки, однако такие заготовки требуют
последующей трудоемкой обработки и повышенного расхода материала.
Главным при выборе заготовки является обеспечение заданного
качества готовой детали при ее минимальной себестоимости. Себестоимость
детали определяется суммированием себестоимости заготовки по
калькуляции заготовительного цеха и себестоимости ее последующей
обработки до достижения заданных требований качества по чертежу. Выбор
заготовки связан с конкретным технико-экономическим расчетом
себестоимости готовой детали, выполняемым для заданного объема годового
выпуска с учетом других условий производства.
К числу основных технологических процессов малоотходного
производства
заготовок,
как
известно
из
курса
«Технология
конструкционных
материалов»
относятся:
прогрессивные
методы
изготовления литых заготовок из металлов и пластмасс; методы получения
заготовок горячим и холодным пластическим деформированием, включая в
себя процессы изготовления заготовок без использования прессового
оборудования (взрывом, электроимпульсная), холодной высадки и
калибровки для исключения последующей механической обработки и т.д.;
методы работы с любыми листовыми материалами (металлы, ткани, кожа,
пластмассы и т.п.) путем вырубки или раскроя с использованием
прогрессивных методов (газопламенного, плазменного, лазерного);
современные методы и оборудование для резки материалов, включая
электроконтактную,
позволяющую
значительно
повысить
производительность при работе с трудно обрабатываемыми материалами.
Для заготовок из металло- и минералокерамики получили распространение
методы и оборудование порошковой металлургии.
Для каждого из методов ниже, в таблицах 5.1 и 5.2,.приводятся реально
достижимые характеристики точности размеров и качества поверхности
получаемых заготовок.
Допуски размеров и шероховатость поверхностей отливок
Таблица 5.1
Способ литья
Габаритный
размер
отливки, мм
Сплавы
цветных
металлов, Тпл.
меньше 7000 С
квалитет
Сплавы цветных
металлов, Тпл.
больше 7000 С,
серый чугун
квалитет
Под давл. в
металлич.
формы
Больше 100
11-13
Ra =0,63
12-14
Ra =1,25
По выплавл.
моделям
100
12-14
Ra =2,5
13-15
Rz =20
Ковкий и
легированный
чугун, сталь
квалитет
14-15
Rz =20
51
В кокиль под
давлением
100 – 630
14-18
15-19
16-20
Центробежное
630 - 4000
40
80
80
Допуски на элементы заготовок, получаемых обработкой давлением
Таблица 5.2
Способ получения
Достигаемая точность (среднее
Rz, мкм
значение), мм
Ковка на молотах и прессах
3,0-30,0
до 80
Ковка в подкладных штампах
1,0-2,5
до 80
Ковка на радиально-ковочных машинах

холодная

горячая
0,04-0,4
до 40
0,1-0,6
до 40
Штамповка
0,7-11,0
20-80
Штамповка с последующей калибровкой
0,05-0,1
Ra=2.,5
Rz= 10
Штамповка высадкой на горизонтально 0,7-3,4
ковочных машинах
20-80
Штамповка выдавливанием
0,2-0.5
20-80
Штамповка на чеканочных прессах
0,05-0,25
20-80
Холодная высадка на автоматах
0,125-0,8
Ra=1,255,0
5.2. ПРИПУСКИ НА МЕХАНИЧЕСКУЮ ОБРАБОТКУ
Припуск – слой материала, удаляемый с поверхности заготовки в целях
достижения заданных свойств обрабатываемой поверхности детали.
Различают общий припуск и промежуточные припуски по всем
последовательно выполняемым технологическим переходам и операциям
обработки данной поверхности детали. Общий припуск на какую либо
поверхность представляет собой сумму промежуточных припусков на ту же
поверхность. Промежуточные припуски необходимы для определения
промежуточных (по технологическим переходам и операциям) размеров
деталей, общий – для определения размеров заготовок. В практике
используются расчетно-аналитический и опытно-статистический методы
расчета припусков.
5.2.1. Расчетно-аналитический метод
Этот метод определения припусков на обработку разработан проф.
В.М.Кованом и базируется на анализе факторов, влияющих на припуски
предшествующего и выполняемого переходов технологического процесса
52
обработки поверхности. Значение припуска определяется методом
дифференцированного расчета по элементам, составляющим припуск.
Расчетной величиной является минимальный припуск на обработку,
достаточный для устранения на выполняемом переходе погрешностей
обработки
и
дефектов
поверхностного
слоя,
полученных
на
предшествующем переходе, и компенсации погрешностей, возникающих на
выполняемом переходе. Расчетные формулы минимального припуска
выглядят следующим образом:
- при последовательной обработке противолежащих поверхностей
(односторонний припуск)
Zi min= (Rz + h)i-1 +  z i-1 +  y i
- при обработке наружных и внутренних поверхностей тел вращения
(двусторонний припуск)
2Zi min= 2 [(Rz + h)i-1 +
2i 1   yi2 ].
Здесь Rz i-1- высота микронеровностей поверхности, полученных на
предшествующем переходе; hi-1 – глубина дефектного поверхностного слоя,
полученного на предшествующем переходе;  i 1  суммарные
отклонения расположения поверхности (отклонения от параллельности,
перпендикулярности, соосности, симметричности и пр.) и отклонения формы
поверхности (отклонения от плоскостности, прямолинейности и пр.) на
предшествующем переходе; yi - погрешность установки на рассматриваемом
переходе. Погрешность установки складывается из ряда погрешностей,
являющихся случайными величинами, поэтому
 y   2   з2   пр2 , где
б - погрешность базирования; з
- погрешность закрепления; пр погрешность, связанная с изготовлением и износом опорных элементов
приспособления.
Расчетные формулы для определения предельных промежуточных
размеров по технологическим переходам и окончательных размеров
заготовки выглядят следующим образом:
- для наружных поверхностей
amin i-1=amin i+Zmin i;
amax i-1=amin i-1+ i-1;
Dmin i-1=Dmin i+2Zmin I;
Dmax i-1=Dmin i-1+ Di-1;
- для внутренних поверхностей
amax i-1=amax i-Zmin I;
amin i-1=amax i-1+ i-1;
Dmax i-1=Dmax i-2Zmin I;
Dmin i-1=Dmax i-1- Di-1;
где a и D – наименьшие и наибольшие предельные размеры,
полученные на предшествующем технологическом переходе;  - допуск на
соответствующий размер.
53
5.2.2. Понятия о базах и базировании
Поверхности, принадлежащие заготовке или детали и используемые
для определения ее положения, называются базовыми или базами. Базы
подразделяются на конструкторские (определяющие положение в изделии),
технологические (определяющие положение при изготовлении или ремонте)
и измерительные (определяющие положение средств измерения при
контроле). Погрешность базирования связана главным образом с
отклонениями размеров заготовок. Если при этом технологическая база
совпадает с измерительной, то   0. Для других схем установки
погрешность базирования может быть определена расчетом или из таблиц в
технологических справочниках.
Основные принципы базирования заготовок:
1. При высоких требованиях к точности обработки необходимо
выбирать такую схему базирования, которая обеспечивает наименьшую
погрешность установки.
2. Для повышения точности деталей и собранных узлов необходимо
применять принцип совмещения баз – совмещать технологическую,
измерительную и конструкторскую базы.
3. Целесообразно соблюдать принцип постоянства базы. При перемене
баз в ходе технологического процесса точность обработки снижается из-за
погрешности взаимного расположения новых и применявшихся ранее
технологических баз.
Для установки заготовок на первых операциях технологического
процесса используют черные (необработанные) поверхности, применяемые в
качестве технологических баз. Эти поверхности используют однократно, т.к.
они применяются лишь для того, чтобы обработать чистовые установочные
базы. При этом базы могут быть основными, если установочная поверхность
детали участвует в дальнейшем в работе детали в изделии, и
вспомогательными, создаваемыми исключительно для установки детали при
обработке (например, центровые гнезда валов).
Погрешность закрепления возникает при закреплении заготовок в
приспособлениях в связи с изменением контактных деформаций стыка
заготовка – опора приспособления. Упругие деформации детали из-за сил
закрепления также учитываются преимущественно при обработке
маложестких деталей.
Погрешность приспособлений возникает в результате неточности
изготовления приспособления и износом его опорных элементов в процессе
эксплуатации.
5.2.3. Опытно-статистический метод
При этом методе расчета припуски на технологические переходы и
общий припуск на заготовку определяют с помощью нормативных
материалов, приведенных в технологических справочниках или нормалях
предприятия для различных случаев обработки. Преимущество – значительно
меньшая трудоемкость расчетов. Недостаток – припуски получаются
54
завышенными, т.к. не учитываются конкретные условия обработки, что
приводит к увеличению расхода конструкционного материала и объема
последующей механической обработки. Как следствие – снижение
экономических показателей.
РАЗДЕЛ 3. ОБРАБОТКА ДЕТАЛЕЙ МАШИН НА
МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКАХ
Тема 6.1. Разновидности токарной обработки
Токарная обработка предусматривает, в основном, обработку
поверхностей вращения, соосных оси шпинделя станка (цилиндрических,
конических, фасонных, винтовых, а также торцовых и др.). Основные
разновидности: точение, растачивание, подрезка торцев, сверление,
зенкерование, развертывание, прорезание канавок, отрезка.
В соответствии с принятой в стране десятичной классификацией
станков, группа токарных станков подразделяется на следующие основные
подгруппы:
11… - одношпиндельные автоматы и полуавтоматы, (например, 1116,
1125,1140);
12… - многошпиндельные автоматы и полуавтоматы (1216-4К, 12404К, 1216-6К и др.);
13… - токарно- (1Г340, 1Г340П, 1365 и др.);
15… - карусельные (1516, 1525, 1540 и др.);
16… - токарные и лоботокарные (16К20, 16К25, 16К40П, 1А670 и др.);
17… - многорезцовые и копировальные (1716ПФ4 и др.).
Инструмент для токарной обработки.
Резцы: проходные, подрезные, канавочные, расточные, фасонные,
отрезные, резьбовые. Правые и левые. Цельные и составные (с напайными
пластинками и механическим их креплением).
Материалы режущей части: инструментальные стали (У8А, У10, …),
быстрорежущие стали (Р6М5, Р6М5К5, Р9, Р18, …), твердые сплавы (ВК6,
ВК8, Т5К10, Т15К6, Т30К4, …), сверхтвердые инструментальные материалы
(кубический нитрид бора, синтетические алмазы и др.).
Сверла, зенкеры, зенковки, развертки (Р9, Р18, …).
Режимы резанья: глубина резания t (мм), подача s (мм/об), скорость
резания vрез (м/мин), частота вращения шпинделя nшп (об/мин), сила
резания Pz (н), мощность резания N (кВт).
Vрез=
Cv
Kv,
m x y
T t s
1000v рез
n=
(об/мин).
D
(м/мин);
Vрез=
Dn
1000
(м/мин);
55
Cv, Kv – коэффициенты, учитывающие конкретные условия обработки
(приводятся в справочниках по режимам резания);
T - стойкость инструмента (30 – 60 мин.);
m,x,y – показатели степени, соответствующие методу обработки
(приводятся в справочниках по режимам резания).
Pz=10Cp t
x
y
n
s v Kp;
Pz v рез
N=
, (кВт).
1020 * 60
Показатели средней экономической точности
поверхности приведены в таблице в конце раздела.
и
шероховатости
Тема 6.2. Разновидности обработки на станках сверлильной группы
На станках сверлильной группы кроме обычных операций обработки
отверстий (сверления, зенкерования, зенкования, развертывания) подрезают
торцы, растачивают отверстия и канавки, обтачивают наружные
цилиндрические и конические поверхности, нарезают и накатывают резьбы,
обкатывают и раскатывают поверхности.
Основные разновидности (подгруппы) станков сверлильной группы:
21… - настольно- и вертикально- сверлильные (2Н106П, 2Н125Л,
2Р135Ф2 и др.);
24… - координатно-расточные (2421, 2Д450, 2Е470А и др.);
25… - радиально-сверлильные (2М55, 2М57 и др.);
26… - расточные и сверлильно-фрезерно-расточные (2М615, 2636Ф1,
обрабатывающие центры ИР320ПМФ4, ИР500ПМФ4, ИР800ПМФ4 и др.);
27… - отделочно-расточные
Инструменты: сверла до 80 мм в диаметре с цилиндрическим или
коническим хвостовиком, зенкеры и зенковки до 100 мм, развертки,
комбинированный
инструмент,
канавочные
и
расточные
резцы
(инструментальные и быстрорежущие стали, твердые сплавы, сверхтвердые
материалы).
Режимы резания: t=0,5D при сверлении или t=0,5(D-d) при
рассверливании (мм), подача s в мм/об в зависимости от НВ
обрабатываемого материала и требуемого класса шероховатости
поверхности; скорость резания vрез в м/мин (в справочниках по режимам
резания); частота вращения шпинделя n в об/мин; крутящий момент Mкр в
Н*М; мощность резания N в кВт.
M кр n
N=
,кВт
9750
n=
1000v
,об/мин
D
Показатели средней экономической точности
поверхности приведены в таблице в конце раздела.
и
шероховатости
Тема 6.3. Разновидности фрезерной обработки
56
На фрезерных станках отрезают заготовки, фрезеруют плоские
поверхности, пазы, уступы, криволинейные и винтовые поверхности, тела
вращения, резьбы.
Основные разновидности (подгруппы) станков фрезерной группы:
61… - вертикально-фрезерные консольные (6Р11, 6Р13Ф3-01 и др.);
63… - продольные одностоечные (6305Ф4, 6У312, 6У316 и др.);
64… - копировальные и гравировальные (641, 6464 и др.);
65… - вертикально-фрезерные бесконсольные (6560, 6А59 и др.);
66… - продольные двухстоечные (6605, 6Г608 и др.);
67… - консольно-фрезерные инструментальные (676П, 6712П и др.);
68… - горизонтально-фрезерные (6Р80, 6Р83 и др.).
Инструменты: концевые, дисковые, цилиндрические, торцевые фрезы,
шпоночные,
Т-образные, фасонные фрезы. Материалы режущей части:
быстрорежущие стали, твердые сплавы. Режимы резания: глубина t и ширина
резания В в мм, подача (на один зубsz, на один оборот инструмента s, в
минуту sм мм/мин).
sм = s*n = sz*Z*n; где
n – частота вращения фрезы в об/мин (главное движение);
Z – число зубьев фрезы.
Vрез – скорость резания в м/мин (определяется по справочникам
режимов резания в зависимости от конкретных условий обработки); примеры
рекомендуемых скоростей резания для материалов в различных состояниях
приведены в таблице ниже.
Pz – сила резания (Н).
Обрабатываемый материал
Сталь:
Углеродистая НВ150
Литая нелегированная НВ225
Аустенитная НВ200
Чугун серый НВ300
М кр 
N эф 
Скорость резания в м/мин
100 – 200
80 – 100
100 – 160
75 - 125
Рz D
(Н*м), крутящий момент на шпинделе;
200
М кр n
(кВт) – эффективная мощность резания.
9750
Показатели средней экономической точности
поверхности приведены в таблице в конце раздела.
и
шероховатости
Тема 6.4. Строгание, долбление, протягивание, прошивание
Строганием и долблением обрабатывают плоские поверхности, пазы
разнообразной формы. Внутреннее протягивание наиболее широко
57
применяют для обработки различных отверстий: круглых (цилиндрических),
квадратных, многогранных, шлицевых с различными профилями прямых и
винтовых канавок, а также шпоночных и других фигурных пазов в отверстии
детали. Чаще всего протягивают отверстия диаметром 10 – 75 мм с длиной,
не превышающей 2 – 3 диаметра. Наружным протягиванием обрабатывают
плоские и фасонные поверхности, различные пазы, рифления, зубчатые
колеса, пазы в дисках газовых турбин и др. Прошивание аналогично
протягиванию, но инструмент работает не на растяжение, а на сжатие.
Протягивание и прошивание в 3 – 12 раз производительнее других
возможных способов обработки поверхностей деталей, но высокая стоимость
инструмента и необходимость в специализированном оборудовании
ограничивают область их применения массовым производством.
Основные разновидности применяемого оборудования:
71… - строгальные продольные одностоечные (7110, 7112 и др.);
72… - строгальные продольные двухстоечные (7210, 7212 и др.);
73… - поперечно-строгальные (7Е35, 7310Д и др.);
74… - долбежные (7Д450, 7414 и др.);
75… - протяжные горизонтальные (7Б55, 7Б58 и др.);
76… - протяжные вертикальные для внутреннего протягивания (7Б64,
7Б68 и др.);
77… - протяжные вертикальные для наружного протягивания (7Б74).
Инструменты: резцы (инстр. стали, быстрореж. стали, тв. сплавы),
протяжки и прошивки (быстрореж. стали) и др.
Режимы резания: для строгания и долбления – также, как при точении
(по таблицам) sмм/дв.ход; vрез м/мин; при протягивании и прошивании – по
таблицам.
Показатели средней экономической точности и шероховатости
поверхности приведены в таблице в конце раздела.
Тема 6.5. Обработка зубьев зубчатых колес
В машиностроении и приборостроении используются следующие
разновидности зубчатых колес: цилиндрические (по форме зуба
цилиндрические колеса разделяют на прямозубые, косозубые и шевронные),
конические, червячные.
Зубофрезерование является самой распространенной операцией
формирования эвольвентного профиля зуба цилиндрических зубчатых колес.
Зубья цилиндрических зубчатых колес нарезаются двумя методами:
копирования и обкатки. Метод копирования заключается в использовании
модульных фрез, профиль которых соответствует профилю впадины между
зубьями колеса. Впадина выбирается модульной фрезой, а переход к другой
впадине осуществляется с помощью делительной головки, которая на
обычном фрезерном станке настраивается на число зубьев обрабатываемого
зубчатого колеса. Комплект фрез обеспечивает обработку всего диапазона
колес с необходимым количеством зубьев рассматриваемого модуля.
58
Наибольшее распространение в промышленности получил метод
обкатки
червячной
фрезой,
который
обеспечивает
высокие
производительность и качество. Червячная фреза соответствующего модуля
может обрабатывать колеса в широком диапазоне количества зубьев путем
изменения режимов обработки. Выбор скорости резания и подачи зависит от
многих факторов: модуля, материалов заготовки и фрезы конструкции,
жесткости фрезы и станка вида обработки и т.д.
При долблении зубьев методом обкатки круглыми долбяками
повышается производительность и точность обработки. Современные
зубодолбежные станки имеют жесткую конструкцию, гидростатические
подшипники и направляющие, работают с частотой ходов до 2500 в минуту,
удобны в работе и для автоматизации. Колеса некоторых типов – блочные
зубчатые колеса с близко расположенными венцами, зубчатые рейки,
шевронные колеса, копиры сложной формы и т.п. могут быть нарезаны
только долбяками.
Нарезание шевронных зубчатых колес осуществляется на
горизонтальных станках с двумя спаренными косозубыми долбяками с
правым и левым наклоном зуба. Долбяки работают попеременно.
Зубозакругление на торцах зубьев применяют для облегчения входа в
зацепление и повышения срока службы переключаемых на ходу зубчатых
колес и муфт. Инструментом является фасонная пальцевая фреза или
инструментальная головка.
Основные разновидности применяемого оборудования:
51…- зубодолбежные для цилиндрических колес (5111, 5140 и др.);
52…- зуборезные для конических колес (5С286П);
53…- зубофрезерные для цилиндрических колес и шлицевых валов
(5305П, 53А20 и др.);
54…- для нарезания червячных колес (5411, 5440);
55…- для обработки торцев зубьев (5505П, 5520);
56…- резьбофрезерные (5Б63, 5Б65);
57…- зубоотделочные (5701, 5Б703);
58…- зубо- и резьбошлифовальные (5843).
Зуборезный инструмент в основном изготавливают из быстрорежущих
сталей (Р18, Р9, Р6М5, стали повышенной производительности Р9К5, Р9К10,
Р10К5Ф5) и твердых сплавов (ВК6М, ВК8, Т5К10, Т15К6, Т30К4). Скорость
резания при зубофрезеровании 50 – 80 м/мин, подача 3 – 6 мм/об.
Применение попутного фрезерования повышает производительность
обработки.
Тема 6.6. Абразивная обработка
Разновидности абразивной обработки: круглое наружное шлифование
(продольное и врезное), бесцентровое круглое шлифование (напроход и
врезное), шлифование отверстий (внутреннее шлифование), плоское
шлифование
(периферией
и
торцом
круга),
хонингование,
суперфиниширование, полирование, доводка.
59
Основные разновидности применяемого оборудования:
31…- кругло-шлифовальные (3М150, 3М151Ф2), бесцентровошлифовальные (3М185);
32…- внутришлифовальные, координатно-шлифовальные (3К225,
3К228А);
33…- обдирочно-шлифовальные;
34…- специализированные (шлице-шлифовальные 3451В, 3П451),
36…- заточные (3М642, 3672);
37…- плоско-шлифовальные (с продольным столом 3Д732Ф1, 3Д733, с
круглым столом 3Д740В);
38…- полировальные, хонинговальные, доводочные.
Обозначение кругов (на конкретном примере): 24А 16 М2 8 К5/ПСС 40
15.
24А – белый электрокорунд; 16 – зернистость в мкм; М2 – твердость
круга (мягкий); 8 – номер структуры (46% шлифовального материала); К5 –
керамическая связка; ПСС 40 15 – порообразователь (полистирол марки ПСС
зернистостью 40, содержание в массе при прессовании 15%).
Режимы резания: линейная скорость на периферии абразивного круга
должна составлять для металлов 30 – 60 м/сек; круги для наружного
шлифования применяются в диапазоне диаметров 500 – 900 мм, для
внутреннего шлифования – 3 – 25 мм; линейная скорость на периферии
заготовки при наружном круглом шлифовании должна быть в диапазоне 10 –
40 м/мин.
Показатели средней экономической точности и шероховатости
поверхности приведены в таблице в конце раздела.
Средние значения показателей точности и шероховатости при
обработке резанием
Таблица 6.1
Метод обработки
Квалитет
Ra , мкм
Обработка точением

черновая

получистовая

чистовая

тонкая

алмазными резцами
14
13-11
10-8
8-7
6-5
50-6,3
25-1,6
6,3-0,4
1,6-0.2
0,04-0,016
Растачивание

черновое

чистовое

тонкое
13-11
10-8
7-5
25-1,6
6,3-0,4
3,2-1,6
Фрезерование

черновое

чистовое

тонкое
14
13-11
10-8
50-12,5
10-1.25
2,5-0,4
Сверление и рассверливание
13-9
25-0,8
60
Зенкерование

черновое

чистовое, после сверления
13-12
13-8
25-6,3
25-0,4
9-7
6-5
6,3-0,4
3,2-0,1
11-10
9-6
12,5-0,8
6,3-0,2
9-8
7-6
6-5
5-4
6.3-0,4
3,2-0,2
1.6-0,1
0,8-0.1
Хонингование отверстий, притирка
5-4
0.8-0,1
Суперфиниширование, притирка
5-4
0,2-0,025
Развертывание

точное

тонкое
Протягивание отверстий

черновое

чистовое
Шлифование наружное

предварительное

чистовое

тонкое
Тема 6.7. Электрофизические и электрохимические методы обработки
К ним относятся: обработка пластическим деформированием,
электроэрозионная (проволочным электродом-инструментом и прошивная),
плазменная, лазерная, электронно-лучевая, ультразвуковая, анодномеханическая, электро-химическая и др.
Для станков этой группы в общей классификации выделена группа под
номером 4.
61
Приложение Б
Рекомендации по лабораторным работам
Лабораторная работа №1
Базирование и закрепление заготовок на станках типа
«обрабатывающий центр» с использованием универсально-сборной
переналаживаемой оснастки (УСПО)
Порядок выполнения задания
1. Изучить теоретический материал – принципы базирования заготовок,
правила закрепления заготовок, базирование и закрепление заготовок с
использованием УСПО.
2. Собрать из элементов УСПО приспособление и установить на нем
заготовку типа тела вращения.
3. В соответствии с полученным от преподавателя чертежом детали
определить поверхности, которые могут быть использованы для базирования
и поверхности, подлежащие обработке.
4. Выбрать схему базирования.
5. Выбрать элементы УСПО, необходимые для базирования.
Расположить их на плите (не закрепляя) с учетом ограничений, изложенных в
пояснениях к работе.
6. Выбрать схему закрепления заготовки. Выбрать необходимые
зажимные и крепежные детали. Закрепление заготовки выполнить
«быстросъемным». Количество зажимных элементов и их расположение
выбирать в соответствии с величиной и направлением усилий резания.
7. Зафиксировать и закрепить базирующие элементы УСПО,
установить заготовку, выбрать и установить зажимные устройства, закрепить
заготовку. Закреплять не прилагая больших усилий. Предъявить собранное
приспособление преподавателю.
8. Начертить схему базирования заготовки и схему закрепления.
Указать на эскизе размеры, привязывающие заготовку к плите (расстояния от
кромок плиты, высота над плитой, углы поворота).
9. Разобрать приспособление, разложить детали по местам.
10. Собрать из элементов УСПО приспособление и установить на нем
заготовку корпусного типа, выполнив действия аналогично п. п. 2 - 9.
11. Оформить отчет.
Содержание отчета
1.Краткая характеристика принципов базирования и закрепления
заготовок.
2. Протокол выполнения работы.
3. Эскизы схем установки и закрепления заготовок.
4. Выводы об эффективности и целесообразности использования для
установки заготовок УСПО.
62
К отчету прилагаются предъявленные преподавателю собранные
приспособления.
Пояснения к выполнению задания
Основные термины и определения, используемые в данной работе,
представлены в ГОСТ 21495-76, В соответствии с ГОСТ:
Б а з и р о в а н и е - придание заготовке или изделию требуемого
положения относительно выбранной системы координат.
З а к р е п л е н и е - приложение сил и пар сил к заготовке или изделию
для обеспечения постоянства их положения, достигнутого при базировании.
У с т а н о в к а - процесс базирования и закрепления заготовки или
изделия.
Б а з а - поверхность или выполняющее ту же функцию сочетание
поверхностей, ось, точка заготовки или изделия, используемые для
базирования.
О п о р н а я т о ч к а - точка, символизирующая одну из связей
заготовки или изделия с избранной системой координат.
С х е м а б а з и р о в а н и я - схема расположения опорных точек на
базах заготовки или изделия.
Г р у п п а б а з - совокупность из трех или двух баз, используемых для
базирования заготовки в приспособлении.
Г л а в н а я б а з а - это база, при использовании которой заготовка
лишается трех или четырех степеней свободы.
Д о п о л н и т е л ь н а я б а з а - каждая из группы баз, кроме главной.
О п о р н ы й э л е м е н т -элемент приспособления (штырь, пластина,
плоскость, цилиндрическая поверхность, призма, палец), соприкасающийся с
базой.
К о м п о н о в к а п р и с п о с о б л е н и я - вид существования
разборного станочного приспособления, образованного методами агрегатной
сборки. На чертеже компоновки указывается взаимное расположение всех
элементов приспособления и способы их соединения между собой и с
заготовкой.
Особенности установки заготовки на станках с ЧПУ
Точность и шероховатость поверхности обрабатываемой детали в
системе "станок-приспособление-инструмент-деталь" (СПИД), а также
эффективность использования станков с ЧПУ, в значительной степени
определяется правильностью базирования и закрепления детали.
Станки с ЧПУ являются высокоточными станками, поэтому
погрешности, возникающие при установке заготовки, должны быть сведены
к минимуму. Станки с ЧПУ имеют повышенную жесткость и мощность и,
естественно, приспособление с заготовкой не должно быть наиболее слабым
звеном системы СПИД.
Относительное перемещение заготовки и инструмента на станках с
ЧПУ осуществляется автоматически в определенной системе координат,
63
следовательно заготовка должна занимать определенное положение в этой
системе координат. Станки с ЧПУ типа «обрабатывающий центр» позволяют
обрабатывать до пяти сторон заготовки с одной установки. Поэтому, при
установке заготовки должна обеспечиваться возможность подхода
инструмента ко всем обрабатываемым поверхностям.
Станки с ЧПУ, в основном, используются в единичном, мелко- и
среднесерийном производстве. Следовательно, на таких станках наиболее
эффективно применять универсально - сборные приспособления,
обеспечивающие путем их перекомпоновки установку широкой
номенклатуры заготовок. Одним из них является универсально-сборная
переналаживаемая оснастка (УСПО).
Выбор схемы базирования
В соответствии с одним из положений теоретической механики
требуемое положение твердого тела (заготовки) относительно выбранной
системы координат достигается наложением геометрических связей,
лишающих тело трех перемещений вдоль осей X, Y, Z, и трех поворотов
вокруг этих осей. Каждая опорная точка лишает заготовку только одной
степени свободы. Следовательно, для полного базирования заготовки
необходимо и достаточно наличия шести опорных точек (правило шести
точек). При большем количестве точек базирование будет неопределенным,
так как неизвестно, какими точками заготовка будет контактировать с
установочными элементами приспособления.
В зависимости от конфигурации детали, формы баз и выполняемой
технологической операции используются различные схемы базирования и
разное количество баз: три, две или одна.
Во всех случаях имеется главная база, с которой начинается, а иногда и
заканчивается базирование. Этой поверхностью заготовка устанавливатся на
приспособление либо надевается на его элемент и получает достаточно
устойчивое положение. В качестве главной базы обычно используется либо
плоскость (лишает заготовку 3-х степеней свободы), либо достаточно
длинная цилиндрическая поверхность (лишает заготовку 4-х степеней
свободы).
Базирование по плоской главной базе заключается в совмещении ее с
какой-то заданной плоскостью приспособления. В зависимости от
используемых опорных элементов различают следующие способы
базирования плоской главной базы: на три опорных штыря, на две опорные
пластины, на плоскость опорного элемента. Базирование необработанных
плоскостей заготовок производится только с помощью опорных штырей.
Базирование цилиндрической поверхности заключается в совмещении
ее оси с какой-то заданной линией в приспособлении. Для базирования
наружной цилиндрической поверхности используются: отверстие, призма,
самоцентрирующееся устройство.
64
За главную базу следует принимать поверхность, от которой заданы
наиболее точные размеры, привязывающие к ней подлежащие обработке
поверхности.
Дополнительные базы лишают заготовку 2-х или 1-й степеней свободы.
В первом случае базирование может быть выполнено при помощи двух
опорных штырей, опорной пластины (узкая плоскость), коротких цилиндра
или призмы, во втором - одного опорного штыря.
На схеме базирования обычно приводиться условное изображение
заготовки с точками приложения связей в принятой системе координат.
Причем, если точки приложения связей неопределенны, например, при
соприкосновении двух плоскостей, то они проставляются в произвольных
местах, в необходимом количестве. Каждая точка связи может быть
реализована установкой опорного штыря, соприкасающегося с заготовкой в
этой точке.
Система условных обозначений опорных элементов приведена в ГОСТ
3.1107-73. Для упрощения опорные точки, связывающие заготовку с любыми
опорными элементами разрешено обозначать знаком _/\_ на виде спереди и
знаком -<>- - на виде сверху. Все опорные точки нумеруют порядковыми
номерами, начиная с точек главной базы. При наложении в какой-либо
проекции одной опорной точки на другую изображается одна точка, и около
нее проставляют номера совмещенных точек. На схеме базирования можно
указывать и точки приложения зажимных усилий. Направления
действующих сил указывают стрелками с индексами Q.
Требования по установке заготовок на ФГПМ
Заготовка для обработки на ФГПМ устанавливается либо
непосредственно на спутнике, либо на плите УСПО, которая, в свою очередь,
крепится на спутнике. Чтобы исключить аварийные ситуации при обработке
заготовки, необходимо при расположении заготовки на плите учитывать
конструктивные особенности станка.
При установке заготовки на плите, особенно при обработке концевыми
или шпоночными фрезами и сверлами малого диаметра, необходимо
учитывать следующие моменты:
- расстояние от оправки инструмента до оси поворота стола не может
быть меньше 115 мм. Поэтому заготовку нужно располагать на плите так,
чтобы при обработке это условие соблюдалось. Особенно это касается
случаев, когда обработка производится при наклоне стола;
- в тех случаях, когда обработка производится с наклоном стола на 90
градусов, при установке заготовки необходимо следить, чтобы в процессе
обработки ползун или шпиндель не уперлись в стол или плиту. Соблюдение
этого условия достигается подъемом заготовки над плитой или, если это
возможно, смещением ее к краю плиты;
- крепежные элементы необходимо выбирать и располагать так, чтобы
исключить касание их инструментальной оправкой или инструментом. При
65
этом длину сверл можно принимать равной 10-ти диаметрам, а длину фрез 5-ти диаметрам;
- при обработке сквозных отверстий необходимо предусмотреть
пространство для выхода инструмента. В этом случае, заготовку необходимо
приподнимать, примерно, на расстояние равное для сверл диаметру сверла,
для фрез 10...15 мм. и расточных оправок - 15...30 мм.
Общие требования к закреплению заготовок
При обработке заготовки на нее действуют силы резания, которые
стремятся переместить и повернуть заготовку. Для сохранения неизменного
положения заготовки относительно опорных элементов ее необходимо
надежно закрепить. При закреплении заготовки в приспособлении должны
быть выполнены следующие основные требования:
- не должно нарушаться положение заготовки, достигнутое при ее
базировании;
- закрепление должно быть надежным, чтобы во время обработки
положение заготовки сохранялось неизменным;
- возникающие при закреплении смятие поверхностей заготовки и
деформации должны быть минимальными.
Невыполнение любого из этих требований может привести к
возникновению погрешностей обработки, а изменение положения заготовки
в процессе резания - и к поломке инструмента.
Способы закрепления заготовок
Выполнение
вышеуказанных
требований
достигается
путем
рационального выбора схемы закрепления и величин зажимных усилий.
Выбор схемы закрепления заготовки производится одновременно с
разработкой схемы ее базирования. При базировании на заготовку
накладываются односторонние связи. В процессе закрепления на заготовку
накладываются дополнительные связи, которые совместно со связями
базирования представляют собой систему двусторонних связей, лишающих
заготовку подвижности.
Закрепление заготовки производится путем приложения зажимных
усилий, а чаще, для распределения нагрузки, групп зажимных усилий,
прикладываемых перпендикулярно к поверхностям опорных элементов.
Выбор мест приложений зажимных усилий и их величин необходимо
производить так, чтобы при зажиме не изменилась выбранная схема
базирования.
Рекомендации по выбору мест закрепления заготово:
- для уменьшения величины зажимного усилия при закреплении
заготовки необходимо, если возможно, выбирать такой способ ее
базирования, при котором наибольшая составляющая силы резания была бы
направлена на какой либо достаточно жесткий опорный элемент;
- для обеспечения контакта заготовки с опорным элементом и
исключения возможного ее сдвига при закреплении зажимное усилие следует
66
направлять перпендикулярно к базовой поверхности. В отдельных случаях
зажимное усилие можно направлять так, чтобы заготовка одновременно
прижималась к элементам приспособления двумя базовыми поверхностями;
- в целях устранения деформации заготовки при закреплении, точку
приложения зажимного усилия надо выбирать так, чтобы линия его действия
пересекала опорную поверхность опорного элемента. Лишь при закреплении
особо жестких заготовок можно допускать, чтобы линия действия зажимного
усилия проходила между опорными элементами;
- для предотвращения возможного смятия поверхностей заготовки при
закреплении необходимо уменьшать удельное давление в местах контакта
зажимного устройства с заготовкой путем рассредоточения зажимного
усилия. Это достигается применением в зажимных устройствах контактных
элементов соответствующей конструкции, которые позволяют распределить
зажимное усилие поровну между двумя или тремя точками;
- для уменьшения вибраций и деформаций заготовки под действием
силы резания следует повышать жесткость системы "заготовка приспособление" путем увеличения количества мест зажатия заготовки и
приближения их к обрабатываемой поверхности.
Универсально-сборная переналаживаемая оснастка
УСПО предназначена для установки на станках фрезерно-сверлильнорасточной группы и станках типа "обрабатывающий центр" заготовок и
деталей мелких и средних размеров. Для взаимной фиксации деталей в
приспособлениях применяются соединения в виде цилиндрических шпонок,
обеспечивающие гарантированную выборку зазоров в элементах фиксации и
возможность применения усиленного крепежа. Материалы и химикотермическая обработка основных деталей и сборочных единиц УСПО
обеспечивают их работоспособность в течение не менее 10 лет.
Взаимозаменяемость деталей и сборочных единиц УСПО обеспечивает
возможность сборки приспособлений для обработки заготовок с точностью
расположения обрабатываемых плоскостей до 8 квалитета и 9 степени
точности.
УСПО включает до 200 типоразмеров стандартных взаимозаменяемых
деталей и сборочных единиц различного функционального назначения базоые, корпусные, направляющие, зажимные и крепежные.
Базовые детали - различные плиты и угольники, являющиеся
основаниями приспособлений. Корпусные детали - опоры, подкладки,
планки, прокладки, используемые для сборки корпуса приспособления.
Направляющие элементы - призмы, планки, пальцы установочные, втулки
базирующие используются, непосредственно, для базирования заготовок.
Зажимные детали и сборочные единицы - прихваты передвижные различной
формы, быстросъемные шайбы, зажимы эксцентриковые, призмы подвижные
обеспечивают зажим заготовок в приспособлениях. Крепежные детали болты, винты, шпильки, гайки, шайбы предназначены для сборки
приспособлений и закрепления обрабатываемых заготовок.
67
Более подробно с номенклатурой деталей и сборочных единиц можно
ознакомиться по каталогу УСПО.
Лабораторная работа №2
Размерная настройка инструмента для станков с ЧПУ и типа
«обрабатывающий центр»
Порядок выполнения задания
1. Изучить теоретический материал – состав и основные параметры
режущего инструмента для станков с ЧПУ фрезерно-сверлильно-расточной
группы, устройство прибора для измерения параметров инструмента БВ2027.
2. Приобрести навыки определения параметров инструмента на
приборе БВ-2027.
3. Подготовить прибор к работе.
4. Определить параметры сверла: вылет, диаметр, радиальное и осевое
биение ленточек, радиальное биение краев перемычки (точки пересечения
режущих кромок с горизонтальной линией по верху сверла). Для этого
поочерёдно (поворачивая сверло на 180 градусов) определить координаты
краёв режущих кромок и перемычки. Записать результаты измерения.
Вычислить и записать требуемые параметры. Оценить пригодность.
5. Определить параметры концевой фрезы: вылет, диаметр, радиальное
биение относительно оси вращения, осевое биение краёв режущих кромок.
Записать результаты измерения по каждому зубу. Вычислить и записать
требуемые параметры. Диаметр определять как сумму двух максимальных
радиусов. Оценить пригодность.
6. Установить недостающие твердосплавные пластины на торцовой
фрезе. Если необходимо, отрегулировать их по вылету, ослабив винт
крепления упора и перемещая упор легкими ударами через мягкую
прокладку.
7. Определить параметры торцовой фрезы: вылет, диаметр, радиальное
биение относительно оси вращения, осевое биение краёв режущих кромок.
Радиусы измерять на одной высоте, примерно на расстоянии 2 мм от
вершины зуба. Записать результаты измерения по каждому зубу. Вычислить
и записать требуемые параметры. Диаметр определять как сумму двух
максимальных радиусов. Оценить пригодность.
8. Произвести настройку на заданный диаметр (кратный 10мм)
расточной оправки. Для этого установить прибор на требуемый радиус.
Затем отвёрткой ослабить винт крепления резца и, перемещая резец вручную,
закрепить его на меньшем радиусе. После этого вращая гайку
микрометрического регулирования перемещать резец до требуемого размера
(При помощи микрометрического винта резец можно только выдвигать).
Определить вылет резца.
68
9. Оформить отчет.
Содержание отчета
1. Основные технические характеристики прибора: принцип действия,
дискретность, погрешность, кратность усиления микроскопа.
2. Протоколы выполнения работы - должны быть приведены по
каждому инструменту результаты всех измерений, вычисленные параметры и
оценка пригодности или непригодности с указанием причины.
3. В выводах привести оценку эффективности прибора, критические
замечания.
Пояснения к выполнению задания
В системе СПИД инструмент и его настройка имеют большое, а часто и
решающее, значение для достижения требуемых значений точности и
качества поверхности, а также высокой производительности.
Размерная настройка- это измерение геометрических параметров
инструмента и настройка изменяемых параметров. К геометрическим
параметрам относятся: вылет (рабочая длина), радиус или диаметр, биения,
углы заточки, целостность и состояние режущих кромок. Размерная
настройка является необходимым звеном подготовки производства на
станках с ЧПУ, обеспечивающим высокую их эффективность.
Размерная настройка инструмента производится на специальных
измерительных приборах, одним из которых является прибор БВ-2027.
УП для станков с ЧПУ составляются для инструмента с
определенными геометрическими параметрами. Отклонение от требуемых
таких параметров инструмента, как вылет и радиус автоматически
учитывается в системах ЧПУ путем коррекции траектории перемещения
инструмента. При этом исходная УП не меняется. Для обеспечения такого
режима одновременно с установкой нового инструмента в систему ЧПУ
вводятся величины коррекций на этот инструмент. Коррекция на длину
инструмента по оси Z обычно равна измеренному вылету, а коррекция на
радиус определяется как разность между реальным радиусом инструмента и
радиусом, на который рассчитана УП.
Инструмент для станков с ЧПУ
Инструмент в таких станках устанавливается в специальных оправках с
коническим хвостовиком с конусностью 7:24, который обеспечивает
достаточно точную установку их в шпинделе. В станках типа
"обрабатывающий центр" используется разнообразный инструмент: сверла,
развертки, зенкеры, зенковки, метчики, торцовые, концевые, шпоночные и
фасонные фрезы и др. Каждый инструмент характеризуется определенными
параметрами и допусками на них. Ниже приведены некоторые из них.
Сверла. Основным типом сверл для сверления отверстий на станках
типа "обрабатывающий центр" являются спиральные быстрорежущие сверла
69
различного диаметра. Они должны удовлетворять повышенным требованиям
по качеству:
- радиальное биение по ленточкам на всей рабочей части сверла
относительно оси вращения не должно превышать 0,04...0,06 мм для сверл
короткой серии и 0,06...0,08 мм для сверл средней и длинной серий;
- осевое биение режущих кромок не более 0,04...0,06 мм;
- отклонение от центричности перемычки по отношению к ленточкам
не более 0,04...0,1 мм;
Торцовые фрезы применяются в станках типа "обрабатывающий
центр", в основном, для получистовой и чистовой обработки. Они
оснащаются сменными неперетачиваемыми пластинами из твердых сплавов
разнообразной формы, закрепляемыми в корпусе фрезы различными
способами.
Наиболее широко используется способ крепления пластины в пазе
корпуса фрезы при помощи клиньев двумя винтами. Одним из винтов
закрепляется клин, служащий упором для пластины, а вторым – клин
зажимающий пластину. Таким образом обеспечивается точное базирование
пластин и надежное крепление. Требования к параметрам торцовых фрез:
- радиальное биение зубьев относительно оси вращения не более 0,03
мм;
- торцовое биение зубьев не более 0,01 мм.
Концевые фрезы применяются для обработки небольших плоских
поверхностей и пазов различной формы. Они имеют как боковые, так и
торцовые режущие кромки. Требования к параметрам концевых фрез:
- радиальное биение зубьев должно быть не более 0,03 мм.
- торцовое биение не должно превышать 0,02 мм.
Расточные оправки применяются для обработки отверстий одним
(иногда двумя) вращающимся резцом. Расточные оправки бывают различной
конструкции, в зависимости от диаметра и длины обрабатываемого
отверстия. Как правило, резец устанавливается в оправке под некоторым
углом, при настройке на заданный размер перемещается вдоль его оси с
помощью микрометрического винта и закрепляется.
Размерная настройка расточной оправки сводится к установке режущей
кромки резца на заданный радиус с погрешностью не более 0,005...0,01 мм.
Прибор для размерной настройки модели БВ-2027
Прибор модели БВ-2027 предназначен для размерной настройки
режущего инструмента для станков с ЧПУ сверлильной, расточной и
фрезерной групп и типа "обрабатывающий центр". Установка координат
производится по устройствам цифровой индикации с фиксацией положения
режущей кромки инструмента по визирному микроскопу. Для более точной
установки координат прибор комплектуется индикатором многооборотным
типа 1МИГ. Основные технические характеристики:
Диаметр настраиваемого инструмента, мм
до 300
Вылет настраиваемого инструмента, мм
от 120 до 400
70
Посадочный конус шпинделя
Конус 50 АТ5 ГОСТ 19860-74
Принцип действия
электронно-механический
Метод измерения
непосредственной оценки
Шаг дискретности, мм
0,001
Увеличение микроскопа М12, крат
30
Поле зрения об'ектива микроскопа, мм
7
Рабочее расстояние микроскопа, мм
60
Погрешность установки координат, мм
- по радиусу
0,015
- по вылету
0,05
Прибор содержит следующие основные узлы: основание; траверсу для
настройки инструмента по радиусу; каретку для настройки инструмента по
вылету; отсчетные устройства; визирующее устройство.
На литом основании прибора размещены: шпиндель с фиксатором и
механизмом зажима инструмента, механизмы грубого и точного
перемещения каретки и вертикальная стойка. На стойке имеются
вертикальные направляющие для каретки, предназначенной для настройки
инструмента по вылету, и линейка грубого отсчета перемещения каретки. По
направляющим каретки в горизонтальном направлении перемещается
траверса, предназначенная для настройки инструмента по радиусу. На
каретке также находятся механизм перемещения траверсы и линейка грубого
отсчета этого перемещения. На траверсе закреплено визирующее устройство
с микроскопом М12, а если необходимо, и индикатором 1МИГ. На стойке за
шпинделем расположены отсчетные устройства с индикацией. Спереди на
основании расположены тумблеры для подключения к сети, включения
подсветки микроскопа и включения блоков индикации, а сзади
электрические разъемы и шнур с вилкой.
В качестве отсчетных устройств в приборе БВ-2027 используются
устройства цифровой индикации (УЦИ) типа Ф5291 с индуктосинами,
расположенными вдоль направляющих. Одно УЦИ служит для определения
вылета инструмента (координата Z), другое - радиуса (координата X). На
лицевых панелях УЦИ расположены: цифровое табло; кодовый
восьмисекционный переключатель; клавиша сброса показаний на нуль - "О";
клавиша записи начального отсчета - "n"; клавиша выбора режима опорной
точки - "М"; индикатор режима определения координаты опорной точки -"F";
индикатор режима восстановления опорной точки -"F".
В качестве визирующего устройства используется микроскоп для
резьбошлифовального станка М12 с осветителем. Микроскоп содержит
следующие основные части: об'ектив в оправе; корпус с призмой;
резьбопрофильную головку; окуляр. В резьбопрофильной головке находится
диск с различными сетками, которые вводятся в поле зрения вращением
маховичка, расположенного под головкой. После установки диск
фиксируется при помощи резьбового фиксатора, расположенного рядом с
маховичком. В окуляре с правой стороны расположена неподвижная
71
градусная сетка. Для работы используется либо сетка с пересечением
горизонтальной и вертикальной линий, либо сетка с вертикальной и двумя
горизонтальными размерными шкалами. Цена деления шкал 0,02 мм.
Установка на резкость изображения производится вращением оправы
окуляра. Для предохранения от загрязнения в нерабочем состоянии окуляр и
объектив микроскопа закрываются колпачками.
Подготовка прибора к работе
1.
Включить прибор, устройства индикации и подсветку
микроскопа тумблерами на передней стенке корпуса.
2.
Снять защитные колпачки с микроскопа. Вращением корпуса
окуляра установить резкое изображение сетки. Расстопорить диск с сетками
и вращая его установить в микроскопе сетку с вертикальной и
горизонтальной линиями, причем горизонтальную линию совместить с нулем
градусной сетки. Застопорить диск.
3.
Настроить прибор по аттестованной оправке следующим
образом. Аккуратно установить в шпиндель прибора оправку. С помощью
рукояток ввести в перекрестие микроскопа левый верхний угол оправки. Для
уменьшения ошибки точную установку по координате Z производить
подводом микроскопа снизу вверх. Чтобы исключить ошибку вследствие
радиального биения оправки, вращая оправку определить максимальное и
минимальное значения по координате X и установить координату в среднее
положение. Переключателями на лицевых панелях установить указанные на
оправке величины вылета по координате Z и радиуса (Не диаметра!) по
координате X. После ввода величин нажатием клавиш "n" установленные
значения должны появиться на цифровых табло.
Порядок работы на приборе
Установить в шпиндель прибора настраиваемый инструмент. Для
определения величин вылета и радиуса необходимо вращая маховички
вертикального и горизонтального перемещения микроскопа совместить
перекрестие линий сетки с требуемыми точками инструмента и снять
отсчеты с цифровых табло. При этом целесообразно пользоваться
указанными ниже правилами.
1) Для исключения погрешности из-за радиального биения радиус
инструмента "R" вычисляется как среднее значение радиусов двух
противоположных зубьев.
2) В качестве вылета "H" инструмента, имеющего несколько зубьев,
принимается максимальное значение вылета.
3) При определении биений зубьев целесообразно пометить первый зуб
и поворачивая шпиндель с инструментом производить последовательно
обмер зубьев, записывая результаты: r1,r2,...rn; h1,h2,...hn.
4) Величины биений с погрешностью до 0,005 мм можно определять
пользуясь сеткой с размерными шкалами, которая вводится в объектив в
72
соответствии с п. 4.4.3. При смене сеток настройка прибора по оправке не
требуется.
Лабораторная работа №3
Исследование функциональных возможностей гибкого
производственного модуля фрезерно-сверлильно-расточной группы
Порядок выполнения задания
1. Изучить теоретический материал – состав и основные параметры
фрезерного гибкого производственного модуля (ФГПМ).
2. Найти, руководствуясь техническим описанием, непосредственно на
ФГПМ функциональные узлы и блоки. Начертить эскиз структурной схемы
ФГПМ и функциональные схемы управления одним из приводов подач и
одним из устройств электро-автоматики (Э/А), указанных преподавателем.
3. Загрузить программное обеспечение в терминальную систему
управления (ТСУ).
4. Изучить информацию, выводимую на экран в режиме общей
индикации.
5. Найти на станке аварийные кнопки. Включить ФГПМ.
6. Исследовать режимы управления приводами подач:
6.1. В режиме ручного управления последовательно осуществить
перемещение по всем координатам сначала со скоростью F3, затем- F2. При
этом необходимо учитывать возможные направления перемещений. Знаки
направлений указаны на подвижных органах.
6.2. Выполнить команду "Выход в ноль по всем координатам".
Наблюдать за индикацией. Записать последовательность выхода в ноль по
координатам и положение подвижных органов станка в нулевых точках.
6.3. Выйти в исходную позицию для смены инструмента и спутников.
Для этого ввести и отработать кадр: G0 G90 G54 X0 Y0 Z857. U0 V0
Убедиться по индикации, что относительные значения координат
установились в соответствии с заданными в кадре. Проанализировать и
записать назначение G-функций и значения координатных слов.
6.4. Загрузить в ТСУ УП с именем "Five 1", вывести ее текст на экран
(Клавиша F9) и ознакомиться с содержанием. Отработать УП. Записать УП в
отчете с комментарием кадров.
7. Исследовать возможности управления Э/А манипулятора станка.
Записать последовательность действий и их результаты:
7.1. Выйти в режим управления электроавтоматикой (Э/А). После
окончания перемещений подвижные органы привести в исходное состояние,
а выходные сигналы - в состояние "0":
- произвести разжим и зажим захвата спутника на манипуляторе,
проследить изменение входного сигнала состояния захвата;
73
- произвести перемещение захвата манипулятора вниз и вверх;
- осуществить перемещение манипулятора вдоль накопителя, для чего
задать направление перемещения робота (+), скорость перемещения Vmin.
Если позволяет зона перемещения в заданном направлении, убрать Vmin и
поставить Vmax. Отключить Vmax, переместить робот в обратном
направлении.
7.2. Выполнить следующие действия по управлению роботом в режиме
отработки кадра. Записать коды выполняемых функций:
- переместить манипулятор к свободному столу, а затем к 5-ой позиции
накопителя;
- используя последовательность М-функций, переставить спутник с 7ой позиции на свободную, и обратно;
- снять спутник со стола и поставить обратно используя функции
М202L30=6, и М201L30=6. Записать для первого случая последовательность
простых М-функций, выполняемых оборудованием.
7.3. Исследовать возможности управления Э/А при смене инструмента.
Записать последовательность действий и их результаты:
- выйти в режим управления Э/А. После окончания перемещений
подвижные органы привести в исходное состояние, а выходные сигналы - в
состояние "0";
- произвести опускание и подъем руки автооператора, проследить
изменение входных сигналов положения руки;
- произвести поворот руки автооператора в обе стороны;
- осуществить движение магазина инструментов в разные стороны.
7.4. Выполнить следующие действия по смене инструмента в режиме
отработки кадра с помощью М- и Т-функций. Записать коды выполняемых
функций:
- произвести без изъятия поиск инструмента ( например,N35, N5);
- произвести изъятие и установку инструмента в магазин;
- произвести поиск инструмента (например, N2) с изъятием и смену
инструмента с ориентацией. Записать индицируемую на экране
последовательность М-функций. Если необходимо, повторить М209
несколько раз. Поставить инструмент на место.
8. Оформить отчет.
Содержание отчета
1. Состав и типы вычислительных средств и основные технические
характеристики ФГПМ: пределы подач, число координат, дискретность.
2. Протокол выполнения работы, в котором должны быть отражены все
действия, выполняемые в процессе работы в соответствии с программой, и
их результат.
3. Функциональные схемы.
4. Результаты исследования режимов управления приводами подач.
5. Результаты исследования режимов управления Э/А.
74
В выводах отразить назначение исследованных режимов управления их
целесообразность и полноту для нормальной эксплуатации фрезерного ГПМ.
Пояснения к выполнению задания
Гибкий производственный модуль модели ДФ320ПМ2Ф4 предназначен
для обработки различного типа деталей из черных или цветных металлов и
сплавов с пяти сторон без переустановки в условиях единичного или
мелкосерийного производства, автономно или в составе гибкой
производственной системы (ГПС).
На ФГПМ может производиться получистовое и чистовое
фрезерование, растачивание, сверление, зенкерование и развертывание
отверстий, нарезание резьб метчиками, резцами, фрезами, обработка прямых
и спиральных пазов, а также мойка деталей и их обмер. Основные
технические характеристики:
Наибольшая масса обрабатываемой заготовки, кг ....……. 200
Предельные размеры устанавливаемой на спутник заготовки:
прямоугольного сечения, мм ..........……... 320х320х320
круглого сечения, мм .................……….……. D450х320
Нибольшее программируемое перемещение:
по оси X, мм ..............................…………………… 2025
по оси Y, мм ...............................……………………. 400
по оси Z, мм ...............................…………………….. 730
по осям A,U, град ....................….....………………... 360
по осям B,V, град .......................…..…………………. 90
Пределы частот вращения шпинделя, об/мин ..….….. 5...4500
Пределы подач линейных перемещений, мм/мин ….. 1..10000
Пределы подач поворота столов, град/мин .……...…. 0,005...5
Наибольшее тяговое усилие подачи, Н .........…………. 10000
Емкость инструментального магазина, шт. .......…………… 44
Емкость накопителя спутников, шт. ................…………….. 10
Число управляемых координат ......................……………….. 8
Число одновременно управляемых координат:
при линейной интерполяции ...................………………… 5
при круговой интерполяции ...................…………………. 2
Дискретность линейных перемещений, мм .........………. 0,001
Дискретность круговых перемещений, град ........……… 0,001
Гибкий производственный модуль с системой управления,
автоматической сменой инструмента и спутников и автоматическим
удалением стружки имеет портальную компоновку с вертикальным
шпинделем и двумя рабочими поворотными столами.
В станине смонтированы два стола с приводами поворота,
обеспечивающими непрерывные круговые подачи относительно двух
взаимно перпендикулярных осей, что позволяет обрабатывать детали
сложной пространственной конфигурациии с 5-ти сторон за одну установку.
75
Hа портале расположены магазин инструментов и автооператор смены
инструментов. Вдоль станины расположен накопитель, по направляющим
которого перемещается робот, осуществляющий смену спутников с деталями
на столах модуля.
Такая компоновка обеспечивает максимальную жесткость и
стабильность конструкции, изоляция зоны резания позволяетполностью
удалять стружку и СОЖ. Наличие двух столов дает возможность
производить автоматическую смену изделий на одном столе во время
обработки детали на другом.
Основные подвижные узлы ГПМ и обозначение координат их
перемещений: портал - Х; каретка - Y; ползун - Z; вращение стола I - A;
поворот стола I - B; вращение стола II - U; поворот стола II - V; перемещение
магазина - Т; каретка робота - Хр.
В качестве датчиков положения в приводах подач используются
индуктосины.
Аппаратура управления модулем расположена в двух электрошкафах и
нишах накопителя. В первом электрошкафу расположены управляющие
блоки ТСУ, панель управления устройством загрузки спутников на
накопитель, аналого-цифровые преобразователи для индуктосинов. Во
втором электрошкафу расположен вводной автомат, тиристорные
преобразователи главного привода и приводов подачи, блоки управления
пропорциональными гидрозолотниками, реле связи с ТСУ. На двери шкафа
расположен пульт управления ГПМ. В нишах накопителя находятся силовые
трансформаторы и дроссели приводов.
Функционально, управление каждым приводом организовано в виде
следящей системы, замкнутой по положению в ТСУ. Для этого в ТСУ, с
периодом 4мс., вычисляются, в соответствии с УП, значения требуемого
положения координаты и считывается информация о реальном положении
координаты с АЦП на базе датчика положения, типа “индуктосин”. В ТСУ
реализуется функция пропорционального регулятора, в результате чего на
выходе контроллера приводов формируется аналоговый сигнал +-10В.,
пропорциональный требуемой скорости перемещения координаты. Этот
сигнал поступает на “регулируемый привод”, который, также, является
следящей системой,но по скорости, и предназначен для поддержания
скорости вращения вала двигателя пропорциональной сигналу от ТСУ. Он
состоит из электронного блока и двигателя постоянного тока с
тахогенератором. Электронный блок включает в себя пропорциональноинтегральный регулятор на операционных усилителях, силовые тиристоры и
систему управления ими. Преобразование вращательного движения вала
двигателя в поступательное подвижного элемента производится при помощи
передачи “винт-гайка”.
Управление элементами электроавтоматики осуществляется от второго
блока ТСУ через контроллер, на соответствующем выходе которого
формируется сигнал напряжением 24В. Этот сигнал подается на
промежуточное реле, которое обеспечивает потенциальную развязку ТСУ и
76
усиление сигнала. Контакты реле включают соответствующее устройство,
например, электромагнит гидрозолотника. Для перемещения элементов
робота смены спутников и системы смены инструментов используется
гидравлика. Переключение гидрозолотника приводит в движение пошень в
цилиндре и соответствующий подвижный элемент. Положение подвижных
элементов контролируется при помощи позиционных безконтактных
датчиков, сигналы с которых поступают на входы контроллера
электроавтоматики.
Загрузка ПО выполняется при первоначальном включении ТСУ и после
неустранимых сбоев. Она может производиться либо с ЭВМ верхнего
уровня, либо с контрольно-отладочного пульта (КОП). Загрузка c КОП
производится в следующем порядке:
- включить КОП и дождаться появления на экране каталога;
- включить управляющие блоки тумблером под нижним УБ;
- выйти в каталог и запустить командный файл загрузки КОП и ТСУ
(его имя - !lo_df);
- наблюдать за процессом загрузки и, при отсутствии сообщений об
ошибках, нажатием любой клавиши выйти в режим общей индикации;
- нажатием клавиши [F4] привести ТСУ в исходное состояние.
Загрузка полностью закончена и ТСУ готова к работе.
В режим общей индикации (См. на экране) программа попадает после
загрузки и запуска. Это основной режим КОП. Экран можно разбить сверху
вниз на следующие зоны:
- строка системной информации (время, дата, номер текущего блока
СЧПУ);
- строка основного меню;
- окно команды ввода и отработки кадра;
- окно координат. Здесь индицируются либо текущие координаты
рабочих органов станка, либо координаты плавающих нулей,
либокоординаты точек возврата. Верхняя строка окна информирует о типе
индицируемых данных. Каждая следующая строка соответствует координате,
имя которой указано в крайнем левом столбце;
- окно параметров. Здесь индицируются следующие данные о ходе
выполнения УП: имя УП, процент подачи, контурная скорость,процент
скорости шпинделя, скорость шпинделя, число циклов, номер кадра, номер
подпрограммы, номер инструмента, текущая M-функция;
- окно сообщений. В это окно выводятся из СЧПУ сообщения о
завершении выполнения команды, о сбоях, об ошибках и пр.;
- строка подсказки. Она имеет разное содержание в зависимости от
того, какая из трех клавиш [Shift], [Ctrl] или [Alt] нажата. Строка содержит
подсказку - какие клавиши можно использовать в данный момент.
Работа с КОП осуществляется в диалоговом режиме. Выбор команды
производится выделением цветом нужной команды из меню и подменю
команд при помощи клавиш перемещения курсора. Наиболее употребимые
команды могут быть заданы функциональными клавишами, указанными в
77
строке подсказки. Запуск команд производится клавишей [Enter], отмена клавишей [Esc].
Полное описание команд дано в инструкции пользователя. Ниже
приведены основные команды, не требующие включения технологического
оборудования, их вызов и результат.
Исход [F4]. По выполнении команды появляется сообщение"Исход
прошел" или сообщение об ошибке.
Выбор типа индикации. При нажатии одной из клавиш [1,2,3,4,5,6]
через некоторое время произойдет смена индикации.
Загрузка УП (подменю "Отработка УП"). Появляется запрос имени
файла. Если индицируемое старое имя не подходит, его нужно убрать, нажав
[Пробел]. Затем нажать [Enter], найти подкаталог "UP" и войти в него, нажав
[Enter]. Найти нужный файл и загрузить его, нажав [Enter].
Вывод на экран загруженной УП осуществляется клавишей [F9].
Станочные параметры (Подменю "Параметры"). Команды позволяют
просматривать и изменять параметры управления оборудованием.
Управление приводами подач, т.е. перемещение по координатам
станка, осуществляется в следующих режимах.
1) Ручное управление координатами [F8]. Нажатием клавиш [+] или [-]
производится перемещение выбранной координаты. Движение с выбранной
скоростью (F1-мин., F2 или F3-макс.) происходит: при кратковременном
нажатии - до повторного нажатия, при длительном - до отпускания. Для
изменения скорости нужно одновременно нажать [Ctrl,F],затем при помощи
цифровых клавиш установить нужное число и нажать [Enter]. Этот режим
используется для выхода из аварийных ситуаций и настройки приводов.
2) Выход в ноль станка (Подменю "Движение"). Подвижные органы
станка выводятся в положения, соответствующие нулям абсолютных
значений. Эта операция необходима для приведения значений индикации
КОП в соответствие с реальным положением подвижных элементов.
3) Отработка кадра УП [F6]. При нажатии [Enter] отрабатывася
набранный при помощи клавиатуры кадр, состоящий из подготовительных
функций (см. Приложение 2) и координатных слов. Этот режим позволяет
осуществлять точные перемещения.
4)
Автоматическая
отработка
УП
[F5].
При
нажатии
[Enter]отрабатывается загруженная управляющая программа.
Управление электроавтоматикой ГПМ. В состав ГПМ входят
устройства, имеющие два или более фиксированных состояния. К ним
относятся: трехфазные электродвигатели, а также электродвигатели привода
магазина инструментов и продольного перемещения робота, имеющие по две
фиксированные скорости; гидроцилиндры с золотниками; световые приборы
элементов индикации и др.
Управление такими устройствами осуществляется от ТСУ
дискретными сигналами в следующих режимах.
1) Режим электроавтоматики [F7]. На экран выводится таблица
состояния входных Этот режим используется для выхода из аварийных
78
ситуаций и настройки приводов.или выходных сигналов одного из
контроллеров, выбираемая согласно подсказке. Состояние выбранного
выходного сигнала может быть изменено на противоположное нажатием
[Enter]. Этот режим используется для выхода из аварийных ситуаций и
настройки элементов электроавтоматики.
2) Режим отработки кадра УП [F6]. При нажатии [Enter]
отрабатывается набранный при помощи клавиатуры кадр, состоящий из Мфункций или Т-функций (см. Приложение 3).
3) Режим автоматической отработки УП [F5]. При нажатии [Enter]
отрабатывается указанная управляющая программа.
Вспомогательные функции (М-функции) могут содержать одну
операцию (например, М14 -включить транспортер), цикл из нескольких
операций (например, М71 - установка инструмента в магазин),цикл из
нескольких более простых вспомогательных функций (например, М201 смена спутника). Последние называются специальными вспомогательными
функциями. В одном кадре может быть до 4-х простых функций.
Специальные М-функции и Т-функции должны быть единственными в кадре.
Аварийная остановка технологического оборудования производится
при помощи аварийных грибковых кнопок, расположенных на передней
стенке силового шкафа и на стенке накопителя, или поворотом входного
выключателя (последнее предпочтительнее). При этом снимается силовое
напряжение со всего оборудования.
В неаварийных ситуациях остановка подвижных элементов
оборудования производится нажатием клавиши [Print Screen] на клавиатуре
КОП. При этом прекращается запущенный режим работы ТСУ (для
продолжения работы КОП с УБ необходимо после этого выполнить режим
"Исход").
Перед подачей напряжения на технологическое оборудование
необходимо убедиться в безопасности его включения, для чего проверить:
отсутствие людей в зоне станка, нормальное положение подвижных органов,
отсутствие посторонних предметов на станке или накопителе.
Для включения технологического оборудования необходимо нажать
кнопку наверху силового шкафа и одновременно повернуть выключатель на
пульте шкафа в рабочее положение; ( при возникновении каких-либо
опасных перемещений станок выключить), выполнить режим "исход" и
убедиться в отсутствии на экране сообщений о неисправностях.
Лабораторная работа №4
Управление системами и устройствами многоцелевого
токарного полуавтомата
Порядок выполнения задания
79
1. Изучить теоретический материал – состав и основные параметры
полуавтомата, подготовка его к работе, управление приводами.
2. Найти непосредственно на станке функциональные узлы и блоки,
указанные в техническом паспорте. Начертить функциональную схему
управления приводом подач координаты Х или другой, указанной
преподавателем.
3. Включить электропитание станка.
4. Изучить пульт оператора. Найти необходимые для работы органы
управления, просмотреть виды индикации, необходимые режимы и
подрежимы.
5. Найти на станке кнопку аварийного останова и переключатель
прерывания подач. Включить станок.
6. Осуществить управление инструментальной головкой.
7. Осуществить управление шпинделями станка.
7.1. Управление главным шпинделем в токарном режиме:
- убедиться, что координата С отключена, и привести во вращение
главный шпиндель с частотой 200об/мин;
- изменить частоту вращения на 500об/мин;
- остановить шпиндель.
7.2. Включить координату С.
7.3.
Произвести
управление
инструментальным
шпинделем
аналогично.
8. Исследовать режимы управления приводами подач.
8.1. Осуществить выход в “0” по всем координатам.
8.2. Произвести перемещения по координатам в наладочном режиме:
- выйти в режим ручного управления;
- осуществить перемещения с разной скоростью по всем координатам
при помощи кнопок. Из нулевого положения по координатам Х и Z можно
перемещаться только в отрицательном направлении;
- осуществить перемещения при помощи маховичка.
- определить по индикации и записать границы безопасной зоны
перемещения в отрицательном направлении по координатам Х и Z.
8.3. Произвести мерные перемещения по координатам:
- выйти в подрежим “Мерн.”;
- установить абсолютную систему отсчёта клавишей “АБ/ОТН”. На
экране должна быть надпись “ПО ОСИ +Х(Z,С) В”;
- произвести выход в заданную точку по оси Z, для чего задать
скорость F=1000...1500, ось Z и точку выхода (в пределах безопасной зоны
перемещения, например –150.);
- перейти в относительную систему отсчёта с надписью “ПО ОСИ
+Х(Z,С) НА). Произвести перемещения по осям на заданную величину.
Величину перемещения выбирать такой, чтобы не выйти за пределы
безопасной зоны перемещения.
9. Ввести и отработать кадр:
- выйти в подрежим “ПРЕДНБ.”.
80
- набрать на мониторе кадр: G90 G1 X-100. Z-200. F500 M3 S200 M5
- проконтролировать правильность набора.
- отработать кадр.
- проанализировать и записать назначение G и М-функций и значения
координатных слов.
10. Ввести и отработать УП:
- ввести УП (получить у преподавателя);
- вывести текст УП на экран и убедиться в соответствии его тексту.
- отработать УП.
11. Оформить отчет.
Содержание отчета
1. Состав и типы вычислительных средств и основные технические
характеристики полуавтомата: пределы подач, число координат,
дискретность.
2. Протокол выполнения работы, в котором должны быть отражены все
действия, выполняемые в процессе работы в соответствии с программой, и
их результат.
3. Результаты исследования режимов управления приводами подач.
В выводах отразить назначение исследованных режимов управления их
целесообразность и полноту для нормальной эксплуатации фрезерного ГПМ.
Пояснения к выполнению задания
Токарно-многоцелевой полуавтомат модели 1716ПФ4, в дальнейшем
станок, предназначен для токарной обработки деталей типа тел вращения и
дополнительно фрезерно-сверлильной обработки (фрезерование лысок,
канавок, шпоночных пазов, сверление внецентровых и радиальных
отверстий, нарезание резьб метчиком и т.д.).
Полуавтомат предназначен для работы в автоматическом цикле с
ограниченным участием обслуживающего персонала. Основные технические
характеристики:
Наибольший диаметр обрабатываемой заготовки, мм ….. 384
Наибольшая длина обрабатываемой заготовки, мм ....…... 750
Пределы частот вращения шпинделей, об/мин:
-главного..….……………………………………….... 8...3000
-фрезерно-сверлильных………………..…………… 5…2000
Пределы скоростей подач:
-продольных (ось Z), мм/мин ……………………... 2...10000
-поперечных (ось X), мм/мин ……………………….. 1..5000
-угловых (ось C), град/мин ………………………….. 1..7000
Количество позиций револьверной головки:
-всего ………………………………………………………. 12
-приводных …………………………………………………. 6
Число управляемых координат ......................……………….. 3
81
Дискретность линейных перемещений, мм .........………. 0,001
Дискретность круговых перемещений, град ........……… 0,001
Основные составные части полуавтомата и их расположение:
(в соответствии с иехническим паспортом)
- бабка шпиндельная с приводом главного движения - расположена
слева;
- привод поворота шпинделя (Координата С) - находится на бабке
шпиндельной;
- суппорт с револьверной головкой - перемещается по направляющим
станины вдоль оси шпинделя (Координата Z);
- ползушка - перемещается перпендикулярно оси шпинделя по
направляющим на суппорте (Координата X);
- головка револьверная - расположена на ползушке;
- бабка задняя - находится справа;
- ограждение закрывает зону обработки спереди.
- устройство числового программного управления (УЧПУ)
“Электроника МС 2101.05”. Управляющий блок (УБ) находится в
электрошкафу, а дисплейный- на передней стенке;
- электрооборудование находится в шкафах позади станка. На стенке
шкафа расположен вводной автомат. В шкафах находятся: тиристорные
преобразователи главного привода и приводов подачи, пускатели
асинхронных двигателей, устройства защиты и др.
Револьверная (инструментальная) головка имеет 12 гнезд для
установки блоков с инструментом, в том числе 6 гнезд, имеющих
индивидуальный привод (для приводных головок). Инструментальная
головка выполнена в виде агрегатной конструкции и объединяет в себе
механизм привода поворота инструментального диска и механизм привода
вращающегося инструмента. При поступлении команды на установку в
рабочее положение заданного гнезда диска с требуемым инструментом,
включается двигатель поворота диска. Прежде чем диск начнет вращаться,
происходит его отжим, чтобы отвести приводные головки от полумуфты
приводного вала. При достижении заданного гнезда, что определяется по
датчику позиций диска, осуществляется реверс двигателя. При этом
инструментальный диск упирается в скошенный фиксатор и останавливается,
а двигатель, продолжая вращаться, прижимает ее к корпусу. Достижение
заданного усилия фиксируется специальным датчиком, по сигналу которого
двигатель выключается.
Главный шпиндель станка может работать как в режиме главного
движения при обычной токарной обработке, так и в режиме следящей
координаты, обеспечивая поворот с высокой точностью. В первом случае он
получает движение от привода главного движения, с которым постоянно
связан через клиноременную передачу, во втором - от привода подачи
углового перемещения (координата С). Для этого на шпинделе установлено
82
червячое колесо, в зацепление с которым может входить червяк привода
координаты С.
Инструментальный шпиндель, т.е. шпиндель приводной головки,
вращается от привода вращающегося инструмента, который подключается
при включении координаты С.
Привод главного и инструментального шпинделей - тиристорный с
высокомоментными двигателями постоянного тока. Они являются
следящими системами по скорости с тахогенераторами в цепи обратной
связи. Скорость и направление вращения задается от управляющего блока
УЧПУ в виде напряжения +-10В. В режиме главного движения это
напряжение поступает на привод главного движения, а в режиме с
координатой С оно переключается на привод инструментального шпинделя.
Функционально управление каждым приводом подачи организовано в
виде следящей системы, замкнутой по положению в УБ УЧПУ. Для этого в
УЧПУ, с периодом 4мс., вычисляются, в соответствии с УП, значения
требуемого положения координаты и считывается информация о реальном
положении координаты с реверсивного счетчика, на который поступают
импульсы с фотоимпульсного датчика положения. В УЧПУ реализуется
функция пропорционального регулятора, в результате чего на выходе
контроллера приводов формируется аналоговый сигнал +-10В.,
пропорциональный требуемой скорости перемещения координаты. Этот
сигнал поступает на “регулируемый привод”, который, также является
следящей системой, но по скорости, и предназначен для поддержания
скорости вращения вала двигателя пропорциональной сигналу от УЧПУ. Он
состоит из электронного блока и двигателя постоянного тока с
тахогенератором. Электронный блок включает в себя пропорциональноинтегральный регулятор на операционных усилителях, силовые тиристоры и
систему управления ими. Преобразование вращательного движения вала
двигателя в поступательное подвижного элемента производится при помощи
передачи “винт-гайка”.
Устройства электроавтоматики станка. В состав станка входят объекты
управления управляемые одним двоичным сигналом (включить, выключить).
Это асинхронные двигатели, электромагниты, индикаторные лампы и др.
Управление элементами электроавтоматики осуществляется от УБ УЧПУ
через контроллер, на соответствующем выходе которого формируется сигнал
напряжением 24В. Этот сигнал подается на промежуточное реле, которое
обеспечивает потенциальную развязку УЧПУ и усиление сигнала. Контакты
реле включают соответствующее устройство, например, двигатель вращения
инструментального диска.
УЧПУ конструктивно состоит из управляющего блока (УБ) типа
“ЭЛЕКТРОНИКА НМС 12 402.1-02” и дисплейного блока “ЭЛЕКТРОНИКА
НМС 12 401.1-01”.
В состав УБ входят следующие функционально законченные модули:
83
1) Вычислитель
(ВЧС),
предназначенный
для
организации
вычислительного процесса, связей с другими блоками и верхним уровнем
ГПС, контроля и диагностики;
2) Контроллер связи с электроавтоматикой станка (устройство9212) на
32 выхода и 64 входа двоичных дискретных сигналов;
3) Контроллер связи со следящими приводами и датчиками
положения, на 4 привода (устройства 9213);
В состав дисплейного блока входят:
1) вычислитель
(ВЧС),
предназначенный
для
организации
вычислительного процесса, управления дисплеем, контроля и диагностики;
2) Газоразрядный дисплей;
3) Устройство ввода-вывода с кассет на цилиндрических магнитных
доменах.
Управление объектами станка
Включение и выключение станка. Подача напряжения на станок
производится вводным выключателем, расположенным на стенке
электрошкафа. При этом включается и УЧПУ.
Перед включением станка необходимо убедиться в безопасности его
включения, для чего проверить:
отсутствие людей в зоне станка,
нормальное положение подвижных органов,
отсутствие посторонних предметов на станке.
Включение станка в работу осуществляется нажатием и удержанием на
некоторое время на пульте станка кнопки “Включение станка”. После этого,
при исправности всех устройств, загорится сигнальная лампа готовности
станка.
Выключение станка производится нажатием аварийной кнопки.
Поскольку кнопка западающая, то после этого нужно вернуть её поворотом в
исходное положение. Прервать перемещения по координатам, без
выключения станка, можно повернув переключатель “Подача включена”,
“Подача выключена”.
Пульт оператора (ПО) включает в себя клавиатуру и экран дисплея на
дисплейном блоке УЧПУ, а также кнопки, переключатели и индикаторы на
пульте станка. Общий вид пульта УЧПУ и назначение клавиш приведены в
Техническом описании станка.
При включении питания УЧПУ первые 10 секунд производится
газоразрядная тренировка дисплея. Затем появляется надпись “”ЭНИМС –
НЦ-Т”, а ниже - “ТЕСТ-ОБМЕН”. После окончания тестовой проверки
УЧПУ и загрузки оперативной памяти обоих блоков УЧПУ появляется
надпись “ЗАКОНЧЕН”, являющаяся приглашением к работе. Если при
тестовой проверке происходит обнаружение неисправностей, то выдается
соответствующее сообщение на экран и запрет на включение станка.
Требуемый режим УЧПУ выбирается нажатием соответствующей
режимной клавиши. В каждом режиме с помощью многофункциональных
84
клавиш можно выбрать необходимый подрежим работы. Для перехода из
подрежима в режим или из одного подрежима в другой можно использовать
и клавиши из группы исполнительных. Вид индикации изменяется клавишей
«ПОЗ».
Многофункциональные клавиши “F, S” и “M, T” позволяют вводить
значения подачи и технологических функций. Эти клавиши - двухразового
действия. По первому нажатию можно ввести числовое значение одной
функции, а по второму - другой.
Числовые значения с учетом знака набираются клавишами группы
набора. Сброс последнего знака осуществляется клавишей «Сб.». Ввод
значений производится клавишей «Пуск».
Выполнение команд производится клавишей «Пуск». Клавиша «Стоп»
во всех подрежимах позволяет останавливать движение. Прервать
перемещения по координатам можно также переключателем “Подача
включена”, “Подача выключена”.
Переход в режим ручного управления осуществляется по нажатию
соответствующей клавиши из группы режимных. В режиме ручного
управления имеются следующие подрежимы:
1) Подрежим “Выход в 0” (Выход в нуль);
2) Подрежим немерных перемещений;
3) Подрежим мерных перемещений;
4) Подрежим “Преднабор”.
Выбор подрежима производится по нажатию находящейся рядом
многофункциональной клавиши.
Управление сменой позиций револьверной головки осуществляется как
в автоматическом, так и в ручном режиме (в любом подрежиме) с помощью
специальных технологических команд по адресу Т. Подадресная числовая
информация соответствует номеру выбираемого гнезда головки,
устанавливаемого в рабочую позицию. Запуск команды производится
клавишей «Пуск».
Управление главным шпинделем в токарном режиме и
инструментальным шпинделем во фрезерном режиме осуществляется
одними и теми же командами. При отключенной координате «С»
управляется главный шпиндель, при включенной - иструментальный.
Направление вращения задаётся вспомогательными функциями М3 или М4.
Останов шпинделя происходит по команде М5. Если в кадре задаются и
перемещения по координатам, то М3 и М4 отрабатываются до перемещений,
а М5 - после.
Для включения шпинделя в ручном режиме (в любом подрежиме)
необходимо набрать на экране команду М3 или М4 и ввести её клавишей
«Пуск», затем набрать функцию частоты вращения S с численным значением
(задаётся в об/мин) и включить шпиндель клавишей «Пуск». Введя новое
значение функции S, можно изменить частоту вращения не останавливая
шпиндель. Для остановки шпинделя нужно набрать команду М5 и выполнить
её клавишей «Пуск».
85
Поворот главного шпинделя, при включённой координате «С»
осуществляется от координаты С. Для включения координаты С необходимо
выйти в “0” по координате С, произвести ориентацию шпинделя командой
М19 и ввести червяк в зацепление с червячным колесом шпинделя командой
М70. На пульте станка должна загореться лампочка с индексом “С”.
Отключение координаты С осуществляется командой М71.
Положение координаты С на экране индицируется в градусах, а
скорость задается в град/мин.
Управление приводами подач, т.е. перемещение по координатам
станка, может осуществляется в различных режимах.
Выход в ноль станка производится в подрежиме “Выход в 0” ручного
режима. Выход в ноль необходим для приведения в соответствие значений
индикации на дисплее с реальным положением подвижных элементов. При
этом подвижные органы станка выводятся в положения, соответствующие
нулям абсолютных значений. Нулевые точки координат находятся с
положительной стороны зоны перемещения, поэтому направление поиска
задается клавишами +Х, +Z и +Y. Запуск программы производится клавишей
«Пуск». Операция выполняется по всем координатам последовательно.
Немерные перемещения могут осуществляться в ручном режиме (в
любом подрежиме) двумя способами в зависимости от положения
переключателя режимов, расположенного слева над маховичком ручного
генератора.
1) В правом положении переключателя перемещение по координатам
осуществляется при помощи соответствующих кнопок (под маховичком).
При одновременном нажатии средней кнопки происходит ускоренное
перемещение.
2) В левом положении переключателя перемещение по координатам
осуществляется при вращении маховичка. Координата выбирается
переключателем, расположенным справа над маховичком.
Мерные перемещения производятся в подрежиме “МЕРН” ручного
режима. При выходе в подрежим на экране появляется приглашение “ПО
ОСИ +Х В” или “ПО ОСИ +Х НА”. Вид надписи, т.е. абсолютная или
относительная система отсчета, изменяется при помощи нижней
многофункциональной клавиши. Если значение скорости F не устраивает
(например, F=0), необходимо сперва задать требуемое значение скорости (Её
значение задаётся в мм/мин). После этого выбрать нужную координату и
набрать численное значение перемещения с учетом знака, причем если
перемещение задается в мм., то в конце необходимо поставить точку, которая
используется для отделения мм. от мкм. Выполнение перемещения
происходит при нажатии клавиши «Пуск».
Набор и отработка кадра. В подрежиме “Преднабор” можно набрать и
отработать кадр, состоящий из подготовительных функций (см. Учебное
пособие), координатных слов и технологических команд. Для этого
используются многофункциональные клавиши и клавиши набора. Отработка
кадра происходит при нажатии клавиши «Пуск».
86
Автоматическая отработка УП. Для отработки УП необходимо перейти
в автоматический режим.
Для загрузки требуемой УП нужно выбрать подрежим “УП” и, после
появления запроса “Номер УП?”, набрать номер УП и исполнительной
клавишей “Ввод инф.” ввести её. После возможной задержки в несколько
секунд на экране должен высветится номер требуемой УП. Клавишей «УП»
из группы индикации можно вывести состав УП на экран.
Отработка УП может производиться в различных подрежимах
(покадровом, без отработки технологических команд или движения,
ускоренном прогоне и др.). Подрежимные клавиши - двухразового действия:
первое нажатие задаёт подрежим, второе - отменяет его. После задания
необходимого подрежима или их комбинации, УП может быть отработана
нажатием клавиши «Пуск». Приостановить выполнение УП можно клавишей
«Стоп». Затем можно возобновить отработку клавишей «Пуск».
Управление устройствами электроавтоматики. Управление такими
устройствами осуществляется от УЧПУ дискретными сигналами по
специальным командам по адресам М и Т. По командам может выполняться
как одно действие, так и цикл управления.
Для выполнения команд используются следующие режимы:
1) Режим ручного управления, подрежимы мерных и немерных
перемещений. Выполняется одна команда.
2) Режим ручного управления, подрежим “Преднабор”. Можно
выполнять несколько команд.
3) Режим автоматической отработки УП.
Лабораторная работа №5
Исследование автоматизированной складской системы ГПС
Порядок выполнения задания
1. Изучить теоретический материал – состав и принцип работы
автоматизированной складской системы (АСС). Провести начальную
загрузку терминальной системы управления (ТСУ) и пульта оператора (ПО),
выполнять основные операции в системе.
87
2. Включить пульт оператора и загрузить программное обеспечение.
Изучить меню на экране.
3. Включить силовое питание крана-штабелера (КШ). Убедится,что
путь КШ свободен, и вывести его в исходную точку (в отчете записать
команду). При необходимости экстренной остановки, выключить силовое
питание нажав на красную кнопку.
4. Найти непосредственно на КШ датчики, указанные в описании.
5. Поменять местами содержимое двух указанных преподавателем
ячеек с использованием позиции приема-выдачи или свободной ячейки
стеллажа. Для этого:
а) определить адреса ячеек;
б) записать последовательность команд для выполнения задания;
в) выполнить команды, после предъявления их преподавателю.
6. Составить укрупненный алгоритм выполнения одной из команд.
7. Выполнить работу по оценке погрешности позиционирования
тележки КШ. Погрешность определяется, как максимальный разброс в
положениях при подходе к одной и той-же позиции с разных сторон. Для
этого на четвертом шунте имеется линейка, а на блоке датчиков – стрелка.
Работу выполнять в следующей последовательности:
а) записать последовательность команд для подхода к четвертому
вертикальному ряду ячеек справа и слева без выдвижения грузозахвата. При
этом отходить надо, как минимум на четыре позиции (см. дополнительные
команды). Показать результат преподавателю;
б) выполнить по три подхода слева и справа, каждый раз записывая
положение стрелки на линейке. Результаты измерения оформить в виде
таблицы;
в) определить погрешность позиционирования.
8. Оформить отчет.
Содержание отчета
1. Занести типы вычислительных средств и основные технические
характеристики АСС.
2. Отразить протокол выполнения работы, в котором должны быть
отражены все действия, выполняемые в процессе работы в соответствии с
программой,и их результат.
В выводах отразить особенности функционирования АСС: достоинства
и недостатки используемой системы позиционирования, необходимость трех
ступенчатого управления скоростью тележки КШ, а также эффективность
работы АСС.
Пояснения к выполнению задания
АСС является частью ГПС механообработки и предназначена для
хранения, приема и аыдачи заготовок, инструмента, технологической
оснастки,готовых изделий. Основные технические характеристики:
Вид грузов: поддон, тара ящичного типа.
88
Грузоподъемность, кг…………………250
Количество позиций штабелера….8х6=48
Количество используемых ячеек……….38
Количество ступеней скоростей:
по горизонтали……………………….3
по вертикали………………………….1
грузозахвата…………………………...2
В состав АСС входят: стеллажи, кран-штабелер (КШ), позиции приемавыдачи, терминальная система управления (ТСУ) “Электроника НЦ80-31”,
пульт оператора.
Стеллажи предназначены для хранения грузов и имеют ячейки в виде
горизонтальных полок. Стеллажи могут располагаться по обе стороны от КШ
и могут варьироватья по длине и высоте.
КШ является основным элементом АСС и предназначен для
перемещения грузов в пределах АСС. На тележке горизонтального
перемещения КШ вдоль стеллажей установлены привод тележки, колонна с
перемещающейсся по ней платформой грузозахвата и ее приводом и шкаф с
электрооборудованием. На тележке и на платформе грузозахвата располжены
также датчики позиционирования у заданной ячейки стеллажа и концевые
выключатели ограничения перемещения по горизонтали и вертикали. На
платформе грузозахвата расположен грузозахват с приводом,датчики
положения грузозахвата,датчики наличия груза в ячейке и выхода груза за
габарит.
Позиции приема-выдачи обеспечивают обмен грузами между АСС и
транспортным модулем, а также базирование грузов.
Контроль состояния элементов АСС и управление их работой
производится при помощи раличных датчиков. По назначению датчики
делятся на информационные и аварийные.
Сигналы от информационных датчиков поступают в ТСУ, где
используются для управления АСС. К ним относятся:
1) 2 бесконтактных индукционных датчика типа КВД-25,
установленные на тележке КШ. Они совместно с шунтами, установленными
вдоль рельса, служат для позицирования у вертикальных рядов ячеек и для
определения номера вертикального ряда путем подсчета шунтов. Еще один
аналогичный датчик исходной позиции с одним шунтом у первого ряда
служит для определения этого ряда;
2) 3 аналогичных датчика на платформе грузозахвата с шунтами на
колонне, выполняющие подобные функции для горизонтальных рядов;
3) датчики положения грузозахвата контактного типа, используемые
для получения информации о его положении (среднее положение, захват
выдвинут влево, захват выдвинут вправо) при управлении;
4) 2 оптических датчика занятости ячеек стеллажа, установленные
справа и слева рядом с грузозахватом.
89
Аварийные датчики используются в цепях блокировки КШ для снятия
силового питающего напряжения минуя ТСУ при возникновении нештатных
ситуаций в работе АСС с целью обеспечения тбезопасности. К ним
относятся:
1) концевые выключатели на тележке, срабатывающие при выходе ее
за пределы рабочей зоны от располженных на полу скошенных кулачков;
2) концевые выключатели на платформе грузозахвата, срабатывающие
при выходе ее за пределы рабочей зоны от располженных на колонне
скошенных кулачков;
3) оптические датчики выхода груза за габарит платформы
грузозахвата,расположенные с правой и левой ее стороны;
4) динамометрический датчик ограничения грузоподъемности на
колонне справа, срабатывающий от натяжения троса при попытке поднять
груз массой более 250кг;
5) динамометрический датчик на колонне справа, срабатывающий при
ослаблении натяжения троса;
6) концевые выключатели ограждения рабочей зоны КШ.
Управление работой элементов АСС осуществляется от ТСУ по
определенным алгоритмам.
Поскольку информация о положении грузозахвата при выключении
АСС не сохраняется, то после загрузки ПО и включения силового питания
необходимо выполнить команду “Выход в исходную точку”. При этом
тележка и платформа перемещаются в сторону первой позиции до
срабатывания датчика исходной позиции.
При поступлении в ТСУ команды выход грузозахвата в заданную
позицию осуществляется по вертикальным и горизонтальным рядам
одновременно.
Тележка при расстоянии большем двух ячеек движется с максимальной
скоростью. За две ячейки до заданной включается средняя скорость, а при
срабатывании первого по ходу датчика от требуемого шунта включается
минимальная скорость. При срабатывании второго датчика тележка
останавливается.
Расстояния на которые перемещается платформа значительно меньше и
требования к точности тоже меньше, поэтому она имеет одну скорость. У
каждой ячейки платформа имеет два положения: выше или ниже уровня
ячейки, которые соответствуют срабатыванию одного или другого
датчика.При подходе к ячейке платформа устанавливается в верхнее
положение, при котором датчик занятости ячейки оказывается на уровне
поддона в ячейке. При наличии поддона в ячейке луч датчика отражается от
него и попадает на фотоэлемент, который формирует сигнал в ТСУ о
занятости ячейки. Если состояние ячейки соответствует команде,
осуществляется цикл изъятия или постановки груза, в противном случае ТСУ
прерывает выполнение команды и посылает на пульт оператора
соответствующее сообщение.
90
При постановке груза грузозахват выдвигается, затем платформа
перемещается в нижнее положение и грузозахват уже без груза возвращается
в среднее положение. При изъятии груза сперва платформа переходит в
нижнее положение,затем выдвигается грузозахват, после чего платформа
перемещается в верхнее положение и грузозахват с грузом возвращается в
среднее положение.
Вопросы точности позиционирования КШ
При остановке тележки грузозахват должен находится по центру
ячейки. Вследствие того что при подходе к ячейке с разных сторон остановка
осуществляется от разных датчиков, а также разброса в пути торможения,
возникает погрешность позиционирования грузозахвата. Это приводит к
смещению груза либо в ячеке при постаноке, либо на грузозахвате при
изъятии груза. Согласно нормативной документации по эксплуатации, для
надежной работы АСС погрешность (разброс) позиционирования должна
быть не более 5мм. Изменение положения грузозахвата при останоке
производится при наладке путем смещения на тележке соответствующего
датчика. Погрешность при торможении можно уменьшить путем снижения
минимальной скорости
Требования к погрешности позиционирования платформы значительно
ниже, поскольку в этом случае необходимо только, чтобы захват всегда был
выше или ниже уровня ячейки.
При нормальной работе ГПС управление АСС и транспортным
модулем осуществляется от диспетчерской ЭВМ в которой имеется полная
информация о состоянии всех ячеек и грузах,расположенных в них. В
автономном режиме управление осуществляется от пульта оператора.
Перед началом работы необходимо включить пульт оператора и после
появления символа @ загрузить программное обеспечение,для чего вставить
дискету в верхнее окно дисковода и набрать ВМХ2, затем при появлении М0:
набрать имя файла @АСС и запустить его клавишей <ВК> (возврат каретки).
В появившемся меню выбрать пункт ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ГРУЗОВ, для чего
выполнить П <ВК>. После этого система готова к работе. В дальнейшем для
запуска команд используется клавиша <ВК>.
Основной командой АСС является команда ОБМЕНЯТЬ, при
выполнении которой груз извлекается из ячейки – источника и
устанавливается в ячейку – приемник. Могут задаваться ячейки стеллажа или
позиций приема-выдачи. Эта команда двухадресная.
Формат команды: О адр.1 адр.2 , где:
О – код команды (от слова ОБМЕН),
адр1 – адрес ячейки – источника,
адр1 – адрес ячейки – приемника.
Адрес задается в виде трех знаков: АВС, где:
А – целое число от 1 до 8, соответствующее номеру вертикального ряда
ячеек стеллажа, в котором находится заданная ячейка, причем номеру 1
соответствует исходная позиция.
91
В – буква русского алфавита от А до Е, соответствующая
горизонтальному ряду ячеек, причем буква А соответствует нижнему ряду.
С – число 1 или 2 , в зависимости от требуемого направления
выдвижения захвата, то есть от того, с какой стороны от штабелера
находится требуемая ячейка. Причем число 1 соответствует выдвижению
захвата влево,если смотреть по ходу движения в сторону увеличения адресов,
а число 2-вправо, то есть в сторону стеллажа.
Примеры правильных адресов:
3Г2 – ячейка стеллажа находящаяся на пересечении третьего
вертикального ряда и четвертого горизонтального ряда ячеек.
7А1 – позиция приема-выдачи (находится напротив ячейки стеллажа с
адресом 7А2).
Кроме основной имеются дополнительные команды, которые, как
правило, используются в процессе наладки и настройки.
В качестве одного из адресов может быть использована комбинация
С0, что соответствует положению груза на грузозахвате. Так по команде О
8Г2 С0 груз будет изъят из ячейки стеллажа 8Г и останется на грузозахвате.
По команде О С0 3Д2 груз, находившийся на грузозахвате, будет установлен
в ячейку 3Д стеллажа.
Если требуется подвести грузозахват к выбранной ячейке стеллажа без
изъятия и постановки груза, то в качестве первого адреса используется С0,а в
качестве второго – адрес выбранной ячейки с третьим знаком С=0.
Например, по команде О С0 4А0 кран-штабелер подойдет к ячейке 4А и
остановится.