Повышение производительности автоматических линий из бесцентровых круглошлифовальных станков с широкими кругами за счет автоматизации правки

При перестройке народного хозяйства на рыночную основу возникают серьезные проблемы практически во всех сферах хозяйственной жизни. Особенно важное значение при этом имеет обновление накопленного производственного аппарата, поскольку при этом закладывается как фундамент дальнейшего развития страны, так и основа успешного развития реформ.

Особое значение в этой связи приобретает обоснование конкретных мероприятий обновления и модернизации парка машин и оборудования.

Высокие требования предъявляются к качеству продукции и точности обработки на металлорежущих станках при сохранении заданной производительности.

Автоматические линии, потоки и цехи из них эффективны в крупносерийном и массовом производстве в автомобильной, подшипниковой, электротехнической промышленности, тракторном и сельскохозяйственном машиностроении, при изготовлении бытовой техники и в других производствах. На начато 80-х годов парк станочных автоматических линий составлял около 6000 единиц, а в 1990 г. — почти в полтора раза больший, затем выпуск линий существенно уменьшился.

Во многих случаях единственным методом обработки высокоточных деталей в составе автоматических линий является применение абразивного инструмента. Это ведет к значительной доле в парке станков, работающих абразивным инструментом. Доля шлифовальных станков в парке оборудования общего машиностроения РФ в 1995 г. составляла 10−12% [47]. В массовом машиностроении этот показатель по экспертному заключению превышает 20%. На долю станков с абразивным инструментом в общем типаже станков за рубежом приходится примерно 35%, а в парке, например, США порядка 20% [9].

Для встройки в автоматические линии промышленность СССР освоила в 70 — 90-е гг. выпуск многих совершенных моделей шлифовальных станков, в т. ч. бесцентровых круглошлифовальных станков (БКС) с широкими кругами (/ до 750 мм), смотри табл. 1 [10]. Эти станки были встроены в автоматические линии и цеха для обработки колец карданных, шариковых, роликовых и других подшипников, а также обработки поршневых пальцев, втулок, золотников и других деталей [1].

Таблица 1.

БКС, изготавливаемые в СССР в 1973 г. [10].

Модель станка Завод-изготовитель Диаметр шлифуемой поверхности, мм Размеры шлифовального круга (диаметр на ширину), мм Размеры ведущего круга (диаметр на ширину), мм.

3185 Витебский завод им. 10−150 600×200(250) 350×200(250).

ЗА184 ЗМ182 Кирова 3−75 0,8−25 500×150(200) 350×100 300×150(200) 250×100.

ЗМ184 3−80 500×150 350×150.

ЗМ185 10−160 600×200 350×200.

ЗШ182 0,8−25 350×300 250×300.

ЗШ184 3−80 500×550 350×550.

ЗШ185 10−160 600×800 350×800.

6С168 Московский завод ав- 3−25 400×300 250×300.

СЛ401 томатических линий и 1−10 400×300.

СЛ501М специальных станков 10−80 500×500 400×550.

СЛ510 «Станколиния» 20−80 500×500(450) 400×550.

СЛ601 80−160 600×700 500×800.

6С71 160−360 750×500 400×500.

СЛ521 20−80 500×500 400×550.

СЛ631 200−360 600×600 500×700.

В табл. 2. приведены технические характеристики БКС, реально изготавливаемые в бывшем СССР (Россия и Белоруссия) в 1999 г. [29].

Таблица 2.

БКС, изготавливаемые в России и Белоруссии в 1999 г.

Модель станка Завод-изготовитель Диаметр шлифуемой поверхности, мм Диаметр шлифовального круга наиб., мм Ширина шлифовального круга наиб., мм.

1 ЗЕ180 В Витебский завод «Вистан» 0,5−10 200 40.

2 ВШ-82 и 1−32 200 100.

3 ЗЕ183ВМ и 2−40 400 160.

4 ЗД183НА (.<. 2−40 400 160.

5 ЗЕ184ВМ СС 4−80 500 250.

6 ЗД184А <.<. 4−80 500 250.

7 ЗЕ184ШВ 5−80 500 500.

8 ВШ84 а 1,5−140 600 400.

9 ЗЕ185ВМ, а 8−160 600 320.

10 ЗЕ185ШВ и 16−160 600 800.

11 МЕ397С1 МЕ397С2 ОАО «Московский завод АЛ и СС» 10−200 600 500.

Сравнение двух таблиц показывает, что номенклатура изготавливаемых в РФ (и Белоруссии) БКС существенно уменьшилась. Поэтому, наряду с проблемой создания новых станков, актуальной является задача модернизации тех, которые находятся в парке и эксплуатируются на заводах.

В автоматических линиях БКС с широкими кругами занимают значительное место (до 20% от общего количества технологического оборудования в автоматических линиях для обработки колец подшипников [51]).

Современные БКС с широкими кругами являются, как правило, станками-автоматами. Они оснащаются приборами активного контроля, подналадчиками или системами путевого контроля цикла. Реже станки работают в полуавтоматическом режиме, и некоторые операции (загрузку лотков, подналадку и т. п.) выполняет оператор. В большинстве случаев комплексно не автоматизирован процесс правки.

БКС относятся к «традиционным» станкам, исследования по которым были выполнены в бывшем СССР в 60 — 80-е гг. [68], а процессы шлифования и правки были изучены еще раньше.

Агрегатно-модульный принцип построения станков этой группы позволил создать типовые конструкции узлов и механизмов, которые в отечественных БКС мало изменились в последние десятилетия [10, 53]. Однако, за рубежом конструктивное совершенствование БКС [74, 84] и их приборов правки [79] ведутся активно и в настоящее время.

Автоматические линии, эксплуатируемые в условиях массового и крупносерийного производства, как правило, изготавливаются одноили малономенклатурными. В них применяются непереналаживаемые БКС без ЧПУ. Коэффициент использования их в автоматических линиях составляет 65%. Значительная часть потерь времени приходится на процесс правки.

Существенным явилось изменение системы управления БКС, которое с появлением многокоординатного ЧПУ типа CNC, оказало определенное влияние и на конструкции узлов [7, 14, 31].

За рубежом целый ряд фирм, специализирующихся на выпуске БКС, изготавливает станки с ЧПУ серийно. Например, фирма Tschudin Grinding Sistems,.

Inc. (США) предлагает БКС с ЧПУ типа CNC второго поколения серии Granit Line [78]- фирма Cincinnati Milacron (США) предлагает серию БКС с ЧПУ Viking G-200 ST CNC [79]- фирма Micron-U. S. A., Inc. предлагает БКС мод. MSA-350BN с ЧПУ типа CNC [88]- фирма Grinding Sistems, Inc. (США) предлагает БКС серии Granit Line мод. GL-2D0 и GL-601 с ЧПУ типа CNC [81]- фирма Mikrosa (Германия) предлагает БКС с ЧПУ мод. 250−1 [80]. Имеются освоенные конструкции БКС с ЧПУ и у других фирм.

Накоплен опыт эффективной эксплуатации БКС с ЧПУ. Так. фирма Black & Decker, изготовляющая различные электрофицированные инструменты, при обработке валов, шпинделей и др. ответственных деталей вращения с жесткими допусками использует БКС с ЧПУ фирмы Коуо Machinery. Станок мод. 6015 С оснащен устройством ЧПУ по 9 осям. Применение БКС с ЧПУ позволило более чем наполовину сократить время цикла по сравнению со станком с традиционной системой управления [83].

За рубежом появились специализированные фирмы, которые проводят модернизацию БКС, поставляя приборы правки с ЧПУ типа CNC по 2-м и 3-м координатам [76, 77], благодаря чему повышается эффективность бесцентрового шлифования.

Анализ показал, что улучшение использования автоматических линий из БКС и отдельных станков, повышение их производительности зависит от затрат времени и качества правки кругов.

Известно, что состояние рабочей поверхности шлифовального круга, сформированное при правке, оказывает доминирующее влияние на процесс обработки. От качества правки зависят период стойкости круга, производительность обработки, параметры качества обработанных деталей, теплообразование в зоне шлифования. При этом важно не только обеспечить высокую режущую способность круга в процессе правки, но и сохранить ее в процессе шлифования заготовок.

По данным [70] расход шлифовальных кругов при правке колеблется от 50 до 95% полезного объема круга. При отсутствии автоматизации процесса правки величина слоя, удаляемого с поверхности шлифовального круга, определяется квалификацией шлифовщика (наладчика).

Затраты на правку достигают 70% от себестоимости операции [30].

Таким образом, развитие средств и способов автоматизации правки кругов играет значительную роль в повышении эффективности БКС.

Многочисленные экспериментальные исследования (Г.Б. Лурье, Л.В. Ху-добин, М. М. Палей, Л. В. Абаков, Ландберг, Палитцше, И. Кунце и др.) показали наличие влияния волнистости поверхности шлифованных деталей на их износ. При этом была установлена прямая пропорциональность средней величины износа высоте волн на поверхности деталей. Для устранения вибраций, приводящих к образованию волнистости на шлифованных деталях, предлагается своевременная правка кругов.

Из-за неравномерного износа шлифовального круга, дисбаланса и ряда других факторов возникают вибрации, являющиеся причиной ухудшения качества шлифуемой поверхности. Причем с течением времени шлифования волнистость увеличивается. Следовательно, несвоевременная или некачественная правка круга приводит к ухудшению качества шлифуемой поверхности.

Высокое качество продукции, особенно при автоматическом способе работы станка, требует стабильных результатов правки. На БКС, работающих в промышленности, цикл правки полностью не автоматизирован, даже в условиях автоматических линий.

Автоматизация процесса правки должна сократить затраты рабочего времени, увеличить производительность БКС с широким кругом [30] и улучшить качество обрабатываемых деталей. Однако в технической литературе и в опыте промышленности исследованиям приборов правки и автоматизации самого процесса уделяется недостаточное внимание. Под термином «автоматизация процесса правки» понимают обычно автоматическое перемещение прибора правки вдоль круга или использование вместо единичного алмаза ролика, а процесс определения начала правки, подвод алмаза к кругу и круга к заготовке после правки отдаются на откуп рабочему.

На БКС имеются два абразивных круга: шлифовальный и ведущий. Ведущий круг правится значительно реже и его автоматизация в настоящее время не 9 является актуальной. По данным [61] расход алмазного инструмента на правку ведущего круга составляет всего около 5% расхода на правку рабочего круга. Следовательно, своевременная и качественная правка рабочего круга является актуальной задачей, решение которой позволит увеличить выпуск продукции со станка, и следовательно, автоматической линии, уменьшить расход абразива и правящих средств и повысить качество обработки. Несмотря на значительные успехи. разработка научных основ автоматизации правки кругов далека от завершения. Результаты приведенных исследований приборов правки БКС с широкими кругами могут быть использованы для повышения производительности автоматических линий, а также при создании новых станков и модернизации действующих.

Общие выводы.

1. БКС с широкими кругами относятся к традиционным конструкциям, которые были изучены в 70−80-е гг. Существенным является создание в 90-е гг. БКС с ЧПУ типа С1МС, что оказало существенное влияние на конструкции ряда узлов, в т. ч. приборов правки. Однако, опыт эксплуатации БКС с ЧПУ показал их эффективность в условиях серийного производства, где выполняются частые переналадки. В условиях массового производства изделий БКС с широкими кругами управляются от программируемых контроллеров и, следовательно, принципиально их узлы не изменились, в т. ч. приборы правки.

Агрегатно-модульный принцип построения БКС позволил создать типовые конструкции основных узлов (механизмов подач, шпиндельных узлов, приборов правки и др.), которые в последние десятилетия конструктивно совершенствуются. Несмотря на значительные успехи в разработке научных основ правки абразивных кругов они еще далеки от завершения. В первую очередь, не сформулированы научно-обоснованные требования к приборам правки и не создана комплексная автоматизация процесса в условиях массового производства.

Комплексная автоматизация процесса правки на БКС, встроенных в автоматические линии, позволит повысить их производительность и качество обработки.

2. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований установлено, что качество бесцентрового шлифования широкими кругами и правки зависят от конструкции и состояния приборов правки. Разработаны общие рекомендации по созданию приборов правки, обеспечивающие стабильность характеристик и, следовательно, возможность автоматизации:

— Благодаря кинематическим погрешностям прибора правки возникают ошибки подачи алмаза, равные ±4% от общей величины его подачи при вариации отдельных значений до 7 мкм. Наибольшее влияние на точность оказывают конечные звенья механизма подачи алмаза. Для повышения точности перемещения алмаза следует нормировать их погрешности.

— При многократном повторении ходов в копирной системе прибора правки нестабильность копирования с надежностью в 95% не должна превышать 2,5 мкм при вариации отдельных значений до 5 мкм, нестабильность воспроизведения формы копира при прямом и обратном ходах не должна превышать погрешности общей нестабильности копирной системыизменение скорости продольного перемещения прибора правки в диапазоне 100−400 мм/мин не должно влиять на стабильность работы копирной системы.

— Сила замыкания в копирной системе прибора правки должна выбираться по выведенной формуле, учитывающей график изменения сил, действующих на ведомое звено, и сил инерции, определяемых по заданному закону движения ведомого звена с учетом его упругости.

— Приборы правки должны иметь жесткость не ниже 1,8−2 кг/мкм. Установлена зависимость качества шлифования (отклонение от круглости, волнистости профиля и осевого сечения) от жесткости прибора правки.

— При скорости продольного перемещения прибора правки 12 мм/мин и выше его движение равномерное, остановок и срывов не наблюдалось.

— Нагрев державки с алмазом при правке зависит от режимов правки, износа алмаза, размеров и материала державки, количества подаваемой СОЖ. Время нагрева державки зависит от количества подводимого тепла, ее размеров и материала. Нагрев державки происходит на первых 3060 мм ширины круга, затем температура стабилизируется и сохраняется до конца правки. В качестве материала державки рекомендуется использовать инвар и др. материалы, имеющие минимальный коэффициент линейного расширения.

3. Для контроля качества изготовления и сборки приборов правки рекомендуется внести в ГОСТ 13 510–92 «Станки бесцентрово-шлифовальные. Основные перемещения и размеры. Нормы точности» следующие дополнительные требования:

— нормирование жесткости приборов правки шлифовального и ведущего кругов;

— нормирование точности копирных систем приборов правки;

— нормирование кинематической точности подачи алмаза в приборах правки.

Рекомендации по выбору ряда других параметров: динамическая характеристика копирной системы, тепловые деформации прибора должны быть учтены при проектировании новых конструкций или модернизации действующего оборудования.

4. Комплексная система автоматизации процесса правки состоит из команды на правку, подвода алмаза к шлифовальному кругу, продольного перемещения прибора вдоль круга с подачей алмаза в крайних положениях, выхода на размер после правки при обеспечении стабильной работы БКС-автомата и прибора активного контроля.

Скорость продольного перемещения прибора правки и величина съема абразива при проходах рекомендованы ГОСТом Р, команда на правку определяется по реле времени.

5. Для автоматизации подвода алмаза к шлифовальному кругу установлено:

— бесконтактный способ контроля положения алмаза относительно шлифовального круга с помощью пневматической системы, ошибка подвода достигает 30% от величины съема абразива и зависит от изменения количества СОЖ, подаваемой при правке;

— дозированная подача алмаза на постоянную величинуошибка подвода не превышает кинематических погрешностей прибора правки. В работе выведена формула для определения рациональной величины подачи алмаза. Система дозированной подачи алмаза отличается простотой конструкции и рекомендуется для автоматического цикла правки.

6. Для автоматизации выхода на размер после правки шлифовального круга предлагается рассогласование величины подачи шлифовального круга (после правки) и алмаза (на правку). Накопленная погрешность компенсируется путем подналадок от измерительного прибора, с которым работает станок. Выведена формула для определения величины рассогласования подачи круга и алмаза. Разработаны рекомендации по повышению точности путевого управляющего устройства — электрочувствительного упора — в системе выхода на размер после правки.

7. Для обеспечения надежной совместной работы после правки БКС и контрольного автомата необходимо предусмотреть два режима подналадки: ускоренная на первый период работы станка после правки (~ 10 мин) и нормальная.

8. Автоматизация процесса правки шлифовального круга снижает себестоимость продукции за счет сокращения затрат на абразив и правящие средства, повышения качества продукции и увеличения отдачи со станка.

9. Результаты исследовательской работы являются основанием для модернизации существующих и создания новых конструкций приборов правки БКС. Они переданы на заводы, изготавливающие и эксплуатирующие указанные станки, а также в ГОССТАНДАРТ РФ.

10. Установленные требования к техническим характеристикам приборов правки и средствам автоматизации процесса могут быть использованы для возможности сертификации продукции — БКС с широкими кругами.