Проектирование и изготовление режущего инструмента, специальных станочных приспособлений

Перед упаковкой каждый инструмент очищают и смазывают составом, предохраняющим от коррозии. После этого инструмент завертывается в бумагу, предохраняющую от сырости, и складывается в пачки, которые затем укладываются в деревянные ящики.

Инструменты повышенной точности (долбяки, шеверы и т.п.) упаковываются каждый в отдельную прочную коробку (из дерева, пластмассы, картона и т.п.), на которую наклеивается этикетка или ставится штамп с данными, характеризующими инструмент. В коробку, также вкладывается паспорт с указанием результатов измерения элементов инструмента.

Инструмент высокого класса точности

Инструмент, производимый инструментальными заводами, предназначен для использования на заводах общего машиностроения, для сельского хозяйства, для ремонтных цехов машиностроительных заводов.

Для заводов, выпускающих продукцию более высокого уровня, этот инструмент не удовлетворяет требованиям не только по своему качеству, но также и по конструкции и размерным допускам, хотя они и установлены стандартами (например, резьбонарезные инструменты со шлифованным профилем, зуборезные инструменты повышенной точности и т.п.). Заводы вынуждены изготовлять такой инструмент в своих инструментальных цехах.

Эти инструменты более совершенны по конструкции, более точны по размерам и более качественны по другим параметрам. Стоимость такого инструмента, конечно, намного выше нормализованного, но зато, ни исполняет свои функции, тогда как нормализованный инструмент или совсем не может быть применен, или требует серьезной доделки, что иногда и выполняется заводами-потребителями.

Таким образом, если для одних заводов вполне удовлетворяют допуски на инструмент, установленные государственными стандартами, другие требуют их ужесточения в своих нуждах, то целесообразно поставить вопрос о введении классности для инструментов. На сегодняшний день установлены классы точности лишь по малой части номенклатуры инструментов, если конкретнее, то по метчикам, долбякам, червячным фрезам для зубчатых колес и шлицевых валов.

Задача повышения точности формы и размеров обрабатываемых деталей становится особенно актуальной при производстве особо точных инструментов.

Технические условия на инструмент, регламентированные в общероссийских стандартах и нормативах (ГОСТы, СТП, СТО и другие), установлены на основании технологических возможностей специализированных инструментальных заводов. Нужно отметить, что они должны быть установлены в первую очередь с учетом требований, предъявляемых к обрабатываемым заготовкам исходя из их служебного назначения, и во вторую очередь - с учетом технологии изготовления инструментов [9]. Применение такого принципа позволяет правильно установить размерные допуски без значительных отклонений в большую или меньшую сторону. С этой точки зрения необходимо подвергнуть серьезной переработке размерные допуски на весь нормализованный инструмент, включая зуборезный, резьбонарезной и для обработки отверстий.

Подводя итог обзорной части работы, можно сделать следующие выводы: в целом предприятия, идущие по пути внедрения принципов и инструментов «Бережливого производства», при минимальных вложениях добиваются следующих результатов: увеличение производительности труда - до 70%; рост качества - до 60%; высвобождение производственных площадей - до 50%; сокращение брака - в среднем на 65%; сокращение сроков реализации инвестиционных проектов - до 20%.

В дополнение, следует отметить, что в результате внедрения «Бережливого производства» изменяются психология, менталитет рабочих, инженерно-технических кадров и руководителей предприятий. В целом, радикально, меняется подход к организации и подготовке производства.

2. Анализ задач проектирования технологической оснастки и режущего инструмента

Режущие инструменты и приспособления (оснастка), в широком смысле, представляют собой орудия, применяемые при ручной и механической обработке различного рода материалов в машиностроении, горном деле, в деревообрабатывающей промышленности, сельском хозяйстве, в медицине, в домашнем обиходе и т. п. Режущим инструментом, в узком смысле данного термина, называется та часть металлорежущих устройств, которая непосредственно изменяет форму обрабатываемой детали.

Проектирование режущего инструмента и технологической оснастки -- это сложный и трудоемкий процесс, ставящий перед собой ряд конкретных задач, таких как: получение новых образцов Р.и, доработка имеющейся номенклатуры инструментов, оснащения [10]. Рассмотрим подробнее данные процессы на примерах проектирования концевых твердосплавных фрез истаночных приспособлений.

2.1 Проектирование твердосплавных концевых фрез

Фрезерование является одним из наиболее распространенных методов обработки. По уровню производительности оно в разы превосходит строгание и в условиях крупносерийного производства уступает лишь наружному протягиванию. Кинематика процесса фрезерования характеризуется быстрым вращением инструмента вокруг его оси и медленным движением подачи [11].

Многообразие операций, выполняемых на фрезерных, фрезерно-центровальных и расточных станках, обуславливает разнообразность типов, форм и размеров фрез.

Фрезам -- инструмент с одним или несколькими режущими лезвиями (зубьями или кромками) для фрезерования. Принято различать следующие виды фрез по геометрии (исполнению) -- цилиндрические, торцевые, червячные, концевые, конические и др. Виды фрез по обрабатываемому материалу -- дерево, сталь, чугун, нержавеющая сталь, закаленная сталь, медь, алюминий, графит. Применяемый материал режущей части инструмента -- быстрорежущая сталь, твёрдый сплав, мелкозернистый твердый сплав, минераллокерамика, материалы по свойствам схожие с алмазами, металлокерамикой, массив кардной проволоки. В зависимости от конструкции и типа зубьев, фрезы могут быть, цельные (состоящие полностью из одного материала), сварные (хвостовик и режущая часть состоит из различного материала, соединённые друг с другом сваркой), напайные (с напаянными режущими элементами), сборные (из различного материала, но соединённые стандартными крепёжными элементами -- винтами, болтами, гайками, клиньями). Отдельно выделяют так называемые фрезерные головки -- они представляют из себя фрезы со сменными твердосплавными пластинами или же пластинами, состоящими из быстрорежущей стали (например, сталь Р6М5). Также такие фрезы часто называют механическими, а головку без лезвий (ножей) -- принято называть корпусом.

По конструкции различают фрезы цельные, составные и сборные с пластинами из твердых сплавов или из быстрорежущей стали. Существуют следующие подтипы фрез: фрезы цилиндрические (преимущественно с зубьями, расположенными по винтовой линии), торцовые, дисковые, трехсторонние (например, пазовые), прорезные (например, шлицевые), отрезные, концевые (пальцевые), одно - и двухугловые, зуборезные фасонные, наборные (наборы из нескольких отдельных фрез). Основные размеры фрез, геометрические параметры и технические требования к ним приведены в стандартах или справочной литературе, гостах, учебниках по проектированию инструмента и так далее.

Надежная и высокопроизводительная работа оборудования невозможна без комплектации его столь же надежным производительным режущим инструментом. Режущий и вспомогательный инструмент, средства предварительной настройки инструмента вне станка, средства контроля инструмента на станке и системы инструментального обеспечения играют важную роль в достижении высокой экономической эффективности дорогостоящего оборудования с ЧПУ.

Концевые фрезы.

Концевая фреза (endmill) -- это режущий инструмент, используемый в промышленных фрезерных станках и станках с числовым программным управлением. Она отличается от сверла применением, геометрией и производством. В то время как сверло может работать только в осевом направлении, концевые фрезы в общем случае могут работать во всех направлениях, хотя некоторые из них не могут работать в осевом направлении. Концевые фрезы отличаются креплением в шпинделе фрезерного станка. Крепление фрез в шпинделе станка производят при помощи цилиндрического или конического хвостовика.

Концевые фрезы предназначены для обработки плоскостей, уступов, прямоугольных пазов и изготавливаются с цилиндрическим хвостовиком (ГОСТ 17025-71) диаметром 3...32 мм, с коническим хвостовиком (ГОСТ 17026-71) диаметром 14...63 мм, для станков с ЧПУ (ТУ2-035-0222232.3-90) диаметром 14...50 мм. Для чернового фрезерования открытых широких поверхностей на деталях с большими припусками применяют обдирочные концевые фрезы (ГОСТ 15086-69). На рисунке 2.1 показана типовая конструкция, и геометрические параметры стандартной концевой фрезы из быстрорежущей стали для обработки стали и чугуна.

Концевые фрезы, их подтипы:

Ш концевые обыкновенные с неравномерным окружным шагом зубьев, с цилиндрическим и коническим хвостовиками;

Ш концевые, оснащённые коронками и винтовыми пластинками из твёрдого сплава;

Ш концевые шпоночные с цилиндрическим и коническим хвостовиками;

Ш шпоночные, оснащённые твёрдым сплавом;

Ш концевые для Т-образных пазов;

Ш концевые для сегментных шпонок.

Ш концевые острозаточенные фрезы

Ш концевые фасонные фрезы

Ш прочие специальные концевые фрезы

Рисунок 2.1 - Конструкция и геометрические параметры концевой фрезы

2.2 Проектирование станочных приспособлений

Вспомогательные устройства к технологическому оборудованию, которые используются при выполнении различных операций механической обработки, а также сборки или контроля - называются приспособлениями в машиностроении.

Около 70% всех существующих приспособлений составляют так называемые "механические приспособления" предназначенные для содействия при обработке деталей на станках и обрабатывающих центров в независимости от их предназначения, фрезерные или токарные [8].

Внедрение приспособлений для станка позволяет: базировать и закреплять деталь, которая подвергается обработке, с сохранением её жесткости; стабильно добиваться качества деталей, которые находятся в процессе обработки, и при этом по минимуму зависеть от квалификации рабочего; произвести дополнительную механизацию, таким образом повышая производительность труда; повысить качество условий работы и обеспечить ее безопасность; увеличить технологические возможности оборудования; применять технически обоснованные нормы времени.

2.2.1 Номенклатура и назначение станочных приспособлений

Целевое назначение станочных приспособлений:

· станoчные приспoсобления для того, чтобы устанавливать и закреплять обрабатываемые заготовки на стaнках. Их различают в зависимости от вида обработки. Широко применяются тoкарные приспособления, приспособления для фрезерных операций, приспособления для сверления, рaсточные системы, кoндукторы, шлифовaльные установки и другие приспособления;

· приспособления, предназначенные для крепления режущего инструмента к станку. Большая часть их деталей и конструкций нормализуется регламентами стандартов в следствии того, что нормализуются и стандартизируются сами режущие инструменты;

· при выполнении сборочных операций, требующих большой точности сборки и приложения больших усилий применяются специальные сборочные приспособления;

· для контроля заготовок, промежуточного и окончательного контроля деталей, а также для проверки собранных узлов и машин задействуют контрольно-измерительные приспособления;

Контрольные приспособления предназначаются для монтирования к ним мерительного инструмента;

приспособления для захвата, перемещения и перевертывания обрабатываемых заготовок и отдельных деталей или узлов при сборке.

Приспособления по степени специализации классифицируются по следующим группам: универсальные, специализированные и специальные.

Универсальные (УП) служат для увеличения технологических возможностей обрабатывающего оборудования (многокоординатных обрабатывающих центров, и самых простых металлообрабатывающих станков). К ним относятся универсальные, поворотные, делительные столы, цанги, зажимы, магнитные и криогенные "подложки", самоцентрирующие патроны.

Стоит упомянуть универсальные приспособления, не нуждающиеся в наладке (УБП). УБП предназначаются для базировать и закреплять заготовки одного типа. УБП работают в условиях единичного, мелкосерийного производства. К этому класс приспособлений относятся универсальные патроны с неразъемными кулачками, универсальные фрезерные и слесарные тиски.

Универсально-наладочные приспособления (УНП) необходимы в условиях многономенклатурного производства. Использоваться они могут б в качестве универсальных патронов со сменными кулачками, универсальных тисках, скальчатых кондукторах.

Специальные безналадочные приспособления (СБП)служат для заготовок, которые близки по конструктивным признакам и требуют одинаковой обработки. Примерами этой группы являются для обработки ступенчатых валиков, втулок, фланцев, дисков, корпусных деталей и др.

Существуют специальные приспособления требующие наладки (СНП). СНП задействуются, когда заготовки близки по конструктивно-технологическим признакам. Над ними выполняются однотипные операции и используются определённые наладки.

Универсальные приспособления сборного типа (УСП). Судя по названию можно сделать вывод о том, что их изготавливают специально для определённых форм и типоразмеров конкретной детали или группы деталей, в зависимости от их количества и прочих факторов.

Из комплекта УСП собирают специальное приспособление, которое разбирается после использования, а элементы УСП многократно используют или трансформируют для новой оснастки.

Специальные приспособления (СП) предназначены для выполнения одной определённой операции при обработке конкретной детали. Они называются одноцелевыми. Находят применение вкрупносерийном и массовом производстве.

Степень механизации и автоматизации приспособлений выражается следующим образом: ручные, механизированные, полуавтоматические и автоматические.

Так как техпроцессов великое множество, как и конструктивных форми размеров обрабатываемых изделий, номенклатура станочных приспособлений весьма широка. Однако, заметим, что несмотря на большое количество отличительных особенностей в конструктивном оформлении, приспособления структурно схожи следующими элементами:

1.Устанoвочные элементы (опоры). Ориентируют заготовку или деталь в пространстве.

2. Специальные зажимные элементы и устройства. Обеспечивают необходимый контакт базoвых повeрхностей загoтовок сустанoвочными элeментами приспособлений и не допускают их смещения во время обработки.

3. Силoвые привoды. Работают, обеспечивая зажимное усилие, направленное на удержание заготовки.

4. Элeменты, которые определяют положение и направление инструментов. Устанавливают обрабатывающий инструмента в необходимое положение.

5. Кoрпусы. Базовые, наиболее ответственные элементы, с помощью которых все детали и устройства приспособлений объединяются в единое устройство.

6. Вспoмогательные устрoйства и элeменты. Такие устройства и элементы предназначеныдля расширения технологических возможностей и предотвращения всевозможных проблем. Помогают повысить быстродействие приспособлений, удобство их управления и обслуживания.

2.2.2 Методика проектирования приспособлений

Проектирование приспособлений осуществляется на базе ряда положений, принципов и правил, которые изложены в общей методике проектирования средств технологического оснащения, учитывая специфические особенности, присущие всем приспособлениям. При проектировании приспособлений опираются на следующие основные принципы:

· обеспечивается предельная простота конструкции, любое усложнение должно быть обосновано;

· главные качества - прoчность, жeсткость и устoйчивость упругой системы конструкции. Они достигаются не увеличением массы, а применением как можно более качественных материалов, исходя из технико-экономических показателей, а также подбором наиболее эффективных и рациональных форм деталейи конструкции в целом;

· сoблюдение принципа aгрегатирования разработка на основе предпочтительных размеров, а также элементов, которые стандартизованы, унифицированы инормализованы.

Применение оригинальных деталей и узлов обосновывается:

· тщательным изучением, анализом всех исходных материалов и поиском информации об аналогичных конструкциях перед тем, как начать проектирование;

· учетом минимума затрат на изготовление, обслуживание и ремонты.

· безопасность работы.

Исходные данные для проектирования приспособления:

- конструкторская документация на деталь;

- операционный эскиз заготовки, операции или перехода;

- справочная литература и стандарты;

-необходимые размеры станка и его характеристики.

Процесс проектирования приспособлений состоит из ряда последовательных этапов:

1. Сначала изучается чертеж изделия, которое следует обработать, а также последовательность и содержание технологических операций, которые должны над ним проводится; прорабатывается сeхма бaзирования и зaкрепления зaготовки, чертятся схемы наладок. Изучается характеристика станка, на который будет монтироваться приспособление, изучается траектория или расположение режущего инструмента, способ подачи охлаждающей жидкости. Далее выбирают средства механизированной установки изделия (если его масса не более 20 кг). Учитывается так же и тип производства, положение станочника по отношению к оборудованию и приспособления, количество деталей в партии изделий, срочность выполнения работы и другие факторы.

Анализируется чертеж обрабатываемой детали и её поверхности, которые будут обрабатываться в проектируемом приспособлении, выставляются технологические базы, поверхности под зажимные элементы.

Так же изучается форма, размеры, координаты взаимного расположения поверхностей (осей), требования к точности и шероховатости обработки.

2. Следующий шаг - обзор и анализ существующих конструкций, которые использовались для аналогичных работ; уточняются схемы базирования и закрепления; производится расчет сил резания и зажима; выбирается места приложения силы зажима; определяется типы и размеры установочных элементов, их взаимное расположение и количество.

3. Выбираются тип зажимного устройства и его привода. Определяются параметры привода с учетом заданного времени на установку.

4. Определяют типы и размеры элементов для направления и контроля положения режущего инструмента.

5. Определяют конструкции и размеры вспомогательных элементов и устройств.

6. Разработка эскиза и общего вида приспособления

7.Уточняются парaметры выбрaнного вaрианта конструкции приспoсобления, а именно: уточняются размеры деталей, допуска соединений и расположение поверхностей и осей в пространстве.

Продумывается кинематика, составляются, электрические, пневматические схемы.

8. После того, как схема приспособления отработана, необходим выбор и основание параметра, который в дальнейшем будет использован для расчета на точность.

9. Выполняется расчет на точность приспособления по выбранному параметру, заканчивая его разбивкой значения расчетного параметра на допуски размеров приспособления, входящих в размерную цепь.

10. Выполняется силовой расчет и расчеты на прочность. Составляется схема действующих нагрузок.

Следом за ним рассчитывается зажимное устройство и привод приспособления. Для расчета необходимо выбрать одну либо две наиболее нагруженные детали приспособления.

11. Выполняется графическое оформление общих видов (сборочных) конструкции приспособления.

12. Окончательно отрабатывается конструкция.

13. Выполняют технико-экономические расчеты целесообразности и еще эффективности применения (модернизации, замены) приспособления.

Конструкцию приспособления по принципиальной схеме, предложенной технологом, разрабатывает конструктор, специализирующийся по конструированию оснастки.

Конструирование приспособления проводят в следующей последовательности:

- Вычeрчивают приближeнный кoнтурoбрабатываемой детали в требуeмом количествe прoекций на тaком расстоянии, чтoбы осталось место для размещения на этих проекциях всех деталей и узлов приспособления.

- Вокруг контура детали располагают базирующие элементы приспособления, а затем зажимные элементы приспособления, приводы зажимных элементов и вспомогательные элементы приспособления. Все эти элементы обрамляют, проектируя корпус. Полученную конструкцию вычерчивают в проекциях, которые необходимы для её понимания и представления, даются необходимые размеры и сечения, разрезы.

На рисунках 2.2 - 2.7 в качестве примера рассмотрим поэтапную последовательность проектирования приспособления, которое служит для закрепления заготовки на специальном двухшпиндельном станке для одновременного сверления отверстий диаметрами D1 и D2в ступенчатом валу (в соответствии с рисунком 2.2).

Технологические базы в данном случае цилиндрические поверхности А и В (двойная направляющая база, точки 1, 2, 3, 4), буртик вала (поверхность Г, опорная база, точка 5) и цилиндрическое отверстие (поверхность Д, опорная база, точка 6) (в соответствии с рисунком 2.3).

На две опорные призмы 1 и 2, супором на торец призмы 1. производится размещение заготовки. Угловое положение детали определяется при помощи плавающего конического срезанного пальца 3. Точность относительного положения обрабатываемых отверстий обеспечивается кондукторными втулками 4 и 5 (в соответствии с рисунком 2.4).

В качестве зажимного использовано устройство, которое состоит из рычажного и эксцентрикового, механизмов с ручным приводом. Механизм вычерчивается относительно контура заготовки. Вычерчивается ориентировочный корпус приспособления. По полученному чертежу выполняется расчет на точность по выбранному параметру TД (допуск расстояния от оси кондукторной втулки5 до опорного торца призмы 1) (в соответствии с рисунком 2.5).

Выполняется силовой расчет приспособления. В первую очередь определяется потребная сила зажима Fз. Определяются геометрические параметры рычага и эксцентрикового механизма (согласно рисунку 2.6).

Наиболее нагруженный элемент конструкции (шпилька) рассчитывается на прочность.

Разрабатывается эскизный, сборочный чертеж на приспособление в целом виде (в соответствии с рисунком 2.7).



Рисунок 2.2- Чертеж детали Ступенчатый вал

Рисунок 2.3- Теоретическая схема базирования детали



Рисунок 2.4- Схема установки, и закрепления детали

Рисунок 2.5- Схема приспособления для расчета на точность



Рисунок 2.6- Схема для расчета зажимного устройства:

1- прихват; 2 - шпилька; 3 - эксцентриковый кулачок; 4 - рукоятка

Рисунок 2.7- Эскиз сборочного чертежа спроектированного приспособления: 1 - корпус; 2, 3 - опорные призмы; 4 - палец; 5, 6 - кондукторные втулки; 7 - планка; 8 - шпилька; 9 - гайка; 10 - эксцентриковый кулачок; 11 - опораэксцентрикового кулачка

3. Разработка методик ускоренного проектирования технологической оснастки и режущего инструмента

Любой метод проектирования в конечном итоге направлен на разработку проектов на основе оптимального сложения множества условий у с целью получения конечных готовых, сбалансированных, и главное - верных решений. Перечислим часть из них: научные, социальные, эстетические, технические, и иных.

С помощью автоматизации и моделирования на электронно-вычислительных машинах последнего поколения можно поддерживать процессы систематизации, накопления, переработки потока информации.

Проектирование, в целом, предполагает и подразумевает внутри себя, аналитическое сравнение готовых вариантов с запрограммированными параметрами (константами) и выбором лучшего варианта решения, его технической и графической фиксации (переменные), а также в получении необходимого количества проектной документации (результат).

Сроки и качество проектирования оснастки и режущего инструмента напрямую влияют на конечный продукт (детали, изделия). Используя современные САПР и технологии проектирования, мы можем значительно ускорить, как процесс проектирования, так и изготовление инструмента и оснастки.

3.1 Разработка системы интерактивных электронных каталогов

Одним из ключевых недостатков проектирования оснащения является объем времени, постоянно тратящийся на создание новых образцов.

Исследуя предпочтения как инженерного и рабочего персонала предприятия «АО ВОМЗ», была предложена идея создания единой сети, для стандартизации и унификации имеющегося оснащения и инструмента. К примеру, можно дополнительно снабдить сеть классификаторами и дорабатывать её при наличии необходимости.

Данная сеть (система) должна гармонично вписываться в схему - организации производственного процесса проектирования и изготовления оснащения изображенную ниже (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 - Схема общей организации производственного процесса проектирования и изготовления оснащения

Проведя анализ полноценного процесса заказа и проектирования оснащения и режущего, основываясь на ключевых аспектах системы «Бережливого производства», а именно:

-Seiry (ђ®—ќ) «аспект «сортировка» (нужное-ненужное) -- чёткое разделение вещей на подгруппы нужные и ненужные с дальнейшим избавлением от последних.

-Seiton (ђ®“Ъ) «соблюдение порядка» (всему своё место) -- организация хранения необходимых вещей, которая позволяет быстро и просто их найти и использовать по конкретному назначению.

-Seiso (ђґ‘|) «содержание в чистоте» (уборка) -- содержание рабочего места, инструментов, документов, в чистоте и опрятности (к примеру сохранение порядка на посменном столе, или на стойке у станка.

-Seiketsu (ђґЊ‰) «аспект «стандартизации» (поддержание общего порядка) -- обязательное условие необходимое для "работоспособности" первых трёх аспектов

-Sitzuke (з^) «аспект «совершенствование» аспект стремления по модернизации и постоянному прогрессу в определенных направлениях.

Были сделаны следующие выводы: при проектировании и оформлении заказов на Р.И и приспособления постоянно нарушаются все пять вышеперечисленных принципов.

К примеру, прежде чем технолог-заказчик сформирует техническое задание на проектирование оснащения (или Р.И), он отправляется в конструкторский архив и старается выбрать оснащение из перечня имеющегося, тратя время, изучая и перебирая чертежи.

Либо же технологу приходится направлять запрос о наличии желаемого и подходящего инструмента/оснастки на территории инструментального склада. Ответ на запрос зачастую требуется ждать несколько часов, которые, в свою очередь, могли быть потрачены с пользой на решение других задач. Данные ситуация отражают несоблюдение принципов I, II, III, IV.

Пример номер 3: молодой конструктор, в должной мере не имеющий нужного опыта в проектировании периодически может совершать ошибки при проектировании типовых образцов инструментов/оснащения. Это негативно сказывается на его работе. Нарушается принцип V.

Дабы избежать подобных ситуаций и лишних временных затрат внутри структур предприятия было предложено создать группу электронных документов (каталогов) содержащих в себе ряд данных необходимых для проектирования оснащения. К таким данным относятся: Электронный сборник конструкторской документации (чертежей) имеющегося оснащения и режущего инструмента, наличие инструмента в данный момент на цеховом, инструментальном складе, геометрические параметры и размеры запрашиваемого оснащения, комплект иллюстрации, изображающий объект каталога.

3.2 Принцип работы с каталогами

Вначале открывается диалоговое окно каталога, где располагаются таблицы, наполненные гиперссылками, при взаимодействии с которыми открывается необходимый чертеж (их, свою очередь, возможно, отсортировать по уникальным номерам)

Данные каталогов можно отфильтровывать по различным параметрам, такими как - размеры, порядковый номер, код детали, материал, наличие и количество на инструментальном складе. Справочными иллюстрациями снабжен каждый из разработанных каталогов. Время, затрачиваемое на поиск необходимых сведений и чертежей инструмента, оснастки, существенно сокращается за счет работы с каталогами. В дальнейшем планируется внедрить в каталоги новые параметры, модели и изображения тары и инструмента для большей наглядности, и возможности их дальнейшей доработки. В качестве дополнительной опции, в каталоги было решено добавить параметрические 3dмодели инструмента (тары, либо станочного оснащения). Каталоги, изначально, созданы в программе MSEXCEL, но в дальнейшем возможна их «вёрстка» и компиляция в виде вэб-страниц, либо уже в виде более сложных электронных документов, с возможностью их печати на бумажном носителе.

Примеры страниц каталогов показаны на рисунках 3.2 - 3.6:

На рисунках 3.2 и 3.3 мы можем видеть справочную информацию из каталогов: примеры размеров, кодификации, применяемое покрытие, параметрическую трехмерную модель концевой фрезы, а так же, код фрезы - аналога, на основе которой был спроектирован и изготовлен инструмент для каталога.

Рисунок 3.2 -Фрагмент страницы каталога концевых фрез

Рисунок 3.3 -Фрагмент страницы каталога концевых фрез (2)



Рисунок 3.4 - Фрагмент страницы каталога концевых фрез, параметрическая 3dмодель

Рисунок 3.5 - Фрагмент страницы каталога технологической тары

На рисунке 3.5 изображен фрагмент страницы каталога специальной технологической тары, предназначенной для перемещения деталей и сборок внутри предприятия. Данные в таком каталоге, также как и в каталоге фрезерного инструмента можно отфильтровать по различным параметрам. Это не только упрощает подбор тары для деталей с определенными размерами, но и способствует сохранению качества готовой продукции за счет точности изготовления. На рисунке 3.6 приведен пример тары для переноски плоских деталей (оснований).

Рисунок 3.6 - Фрагмент страницы каталога технологической тары (справочные иллюстрации)

Проблемы проектирования, решаемые с помощью применения систем каталогов:

1) Отсутствие «переизбытка информации».

2) На поиск необходимых материалов уходит меньше времени.

3) «Наглядность» представленных материалов.

4) Оптимизация доступа персонала к имеющимся материалам (чертежам, тех. процессам, сведениям о наличии инструмента).

4. Реализация процесса проектирования оснащения с применением электронных каталогов

4.1 Пример реализации процесса проектирования оснащения с применением электронных каталогов

Рассмотрим процесс проектирования концевой фрезы, как с использованием электронного каталога, так и без. Разработка инструмента состоит из следующих этапов:

1) В конструкторском отделе разрабатывается новое изделие. На него создаются конструкторские модели, чертежи, необходимая конструкторская документация и другие документы.

2) Конструкторская документация направляется к руководителю отдела главного технолога для последующего распределения работы между бюро.

3) После распределения работ, руководитель отдела дает необходимые указания и материалы (документацию) начальнику бюро механической обработки.

4) Начальник бюро распределяет полученную работу между технологами бюро. От них требуется расписать какая оснастка, инструмент и приспособления нужны для изготовления деталей и изделий. В обязанность технологов так же входит подготовка ведомостей оснащения и технологического задания для конструкторов бюро, с последующей передачей их в работу.

5) Производится запрос в инструментальный склад и архив отдела, с целью «подбора» необходимого оснащения, конструкторской документации на него.

6) На этом этапе происходит проектирование необходимого оснащения. В качестве ресурсов используются САПР, ГОСТы, СТП. Происходит анализ чертежей имеющихся аналогов режущего инструмента, приспособлений (в зависимости от требований технолога-заказчика)

7) Спроектированная оснастка (её чертежи) направляется в архив, и уже после открытия заказа на изготовление копии чертежей передаются в цех-изготовитель.

8) Оснастка и режущий инструмент изготавливается по чертежам в инструментальном цехе, после этого, в готовом виде направляется в цеха-потребители.

Процесс изготовления детали с применением спроектированного инструмента показан на рисунке 4.1

Рисунок 4.1 - Схема организации производственного процесса проектирования и изготовления оснащения

Зачастую бывает так, что задание для проектирования поступает напрямую от начальника бюро и по завершению работы отправляется непосредственно в цех-изготовитель, минуя архив.

Появление интерактивных каталогов оснащения предлагает альтернативное решение в пунктах 5,6,7. Появляется возможность подбора уже имеющегося оснащения, минуя бумажный архив и инструментальный склад. Становится возможным проектирование «с нуля», либо же создание нового оснащения, заимствуя конструктивные элементы предшествующих работ. За счет наглядных иллюстраций и 3dмоделей, становится возможным изучение данных с меньшими временными потерями.

В результате создания каталогов мы получаем альтернативную схему организации процесса проектирования оснащения, она показана на рисунке 4.2

Рисунок 4.2- Альтернативная схема организации процесса проектирования оснащения

На данной схеме показано, что процесс проектирования может происходить без обращения к бумажному архиву предприятия и без запроса о наличии инструмента на складе. Все необходимые данные уже занесены в каталоги.

4.1.1 Проектирование твердосплавной концевой фрезы с применением каталогов оснащения

Рассмотрим процесс проектирования инструмента под конкретную задачу:

На стадии проектирования выбирается структурная схема инструмента, принципиальная схема режущей части, элементы геометрии и конструктивные размеры фрезы.

Требуемый инструмент: мерная концевая фреза.

В процессе проектирования необходимо определить:

1) Количество и форму зубьев, их профиль

2) Длина инструмента и длина рабочей части

3) Материал режущей части и хвостовика

4) Геометрические параметры режущей части

Сведения для проектирования: обработка производится на фрезерном обрабатывающем центре, имеется чертеж детали.

Для обработки сложной корпусной детали представленной в виде эскиза на рисунке 4.3 и операционного эскиза (рисунок 4.4) требуется проектирование и изготовление высокоточного режущего инструмента (в рассматриваем случае, это - концевая фреза).

Материал обрабатываемой детали: Сталь 30ХГСА.

К инструменту предъявляются следующие требования:

· Точный размер диаметра режущей части (D).

· Правильная геометрия режущих кромок, их высокая прочность и износостойкость.

· Высокую производительность благодаря большой экономии времени, связанной с высокой скоростью резания.

· Высокое качество обрабатываемых поверхностей.

· Достаточную жесткость конструкции

· Обязательно требуется произвести выборочные испытания нескольких готовых фрез

· Возможность «ремонта» (заточки, переточки)

· Технологичность конструкций

· Необходимо учитывать производственные мощности инструментального цеха

· Обоснованную экономическую выгоду изготовления партии фрез

· Должно быть достигнуто высокое качество доводки режущих кромок

· соблюдение остальных требований, показанных в справочной литературе

Рисунок 4.3 - Эскиз детали «Кулачок»

Рисунок 4.4 показывает в разрезе деталь «Кулачок» целиком

Рисунок 4.4- Операционный эскиз детали «Кулачок»

Рисунок 4.4 показывает в разрезе обрабатываемый паз детали «Кулачок»

Выбор инструментальных материалов:

Материал режущей части резца выбирается в соответствии с общеизвестными рекомендациями исходя из свойств обрабатываемого материала и требований к обработанной поверхности.

Исходя из твердости обрабатываемой детали и её материала (Сталь 30ХГСА) подбираем материал инструмента:

Из имеющихся в наличии инстурментальных материалов выберем твердый сплав K40UF.Это единственный из имеющихся материалов способный одновременно соответствовать всем требованиям, озвученным в начале данного подраздела.

Свойства выбранного материала показаны в таблице 4.1,их можно подробнее рассмотреть в справочной литературе от производителя материала его структуру мы можем видеть на рисунке 4.5.

Таблица 4.1 - Свойства твердого сплава K40UF

Наименование сплава	K40UF
Классификация по ISO	K40-K50
Диаметр заготовки	1,2-42,2 мм
Содержание Co	10%
Содержание Wc	90%
Плотность	14,5кг/м3
Hv	1610 единиц
HRA	92,3 кгс
Прочность при изгибе	Свыше 4000МПа
Размер зерна	0,6мкм
n-фаза	Отсутствует

K40UF производится из ультрамелкого карбида вольфрама с размером зерна 0.6 микрона. Его,высокие твердость и вязкость достигаются благодаря десяти процентному содержанию кобальта (Co).

Рисунок 4.5- Структура твердого сплава K40U

Исходя из свойств материала указанных в таблице выше, можно сделать вывод о правильности выбора при обработке, легированной конструкционной стали30ХГСА.

Выбор геометрических параметров инструмента:

Диаметр фрезы влияет как на процесс фрезерования, так и на выбор конструктивных элементов инструмента. Целесообразно выбирать наибольший диаметр фрезы, так как с этим связано число зубьев, их размеры

и форма, толщина тела корпуса. На практике для обеспечения достаточной прочности корпуса используется зависимость (формула 4.1) [27]:

D1 = (1,6 ? 2,5)d, мм, (4.1)

где D1- диаметр окружности впадин зубьев, мм;

d - диаметр посадочного отверстия, мм.

Размерный перечень острозаточенных фрез стандартизирован для каждого вида: например, фрезы концевые избыстрорежущей стали (ГОСТы 17025-71, 17026-71, ТУ 2-035-0222232-90, ГОСТ 15086-69) изготавливаются диаметрами от 3 до 63 мм, а твердосплавные концевые фрезы (ТУ 2-035-854-81, ТУ 2-035-824-81, ТУ 2-035-748-80) - от 3 до40 мм.

Концевые твердосплавные цельные фрезы изготавливаются по ТУ 2-035-0223131.159-90 диаметрами 14...30 мм; дисковые трехсторонние фрезы быстрорежущие (ТУ2-035-0224638.1156-88) имеют диаметры 100...250 мм. В таком же диапазоне размеров отечественная инструментальная промышленность выпускает торцовые фрезы, включающие в себе вставки- ножи из Р6М5 (быстрорежущая сталь) (ТУ2-035-0224638.1155-88).

Посадочным размером для насадных фрез является диаметр отверстия под оправку, который в зависимости от наружного диаметра инструмента выбирается из ряда 16, 22, 27, 32, 40, 50 и 60 мм.

Существует перечень требований, выполнение которых необходимо при проектировании новых конструкций и типов фрезерного инструмента.

Число зубьев (часто обозначается как "Z") необходимо принять по возможности большим, так как от него пропорционально зависит минутная подача, т. е. производительность обработки или же скорость.

Вместе с тем зубья должны быть достаточно прочными, а расстояние между ними, форма и шероховатость поверхности стружечных канавок должны обеспечивать надежное размещение и отвод стружки (последнее особенно важно для концевых фрез, обрабатывающих глубокие пазы). В случаях образования сплошной сливной стружки, у концевых фрез переднюю поверхность зубьев изготавливают ступенчатой.

Это необходимо для дробления стружки. Форма зубьев и впадин фрез должны обеспечивать прочность зубу и достаточное пространство для размещения стружки, ее отвод из зоны резания, а также максимальное количество переточек.

Помимо этого, целесообразно использовать не прямые, а изогнутые, так называемые «винтовые» зубья, потому как они обладают более высокими эксплуатационными показателями, позволяющими повысить производительность обработки и стойкость инструмента, улучшить качество обрабатываемой поверхности, а также снизить динамические нагрузки на станок, что важно в условиях гибких производственных систем (ГПС).

Фасонные инструменты обладают винтовыми зубьями, они, в свою очередь очень сложны в изготовлении, требуют особого оборудования и, как правило, имеют увеличенные погрешности. Это объясняется тем, что параметры поверхностей, формирующих винтовой зуб на сложных ИИП обусловливают изменения профиля обрабатывающего инструмента.

Следовательно, для создания таких поверхностей необходимо точное определение сопряженного инструментального профиля. Эти мероприятия являются оптимизационной задачей, решение которой зависит от точного нахождения профиля обрабатывающего инструмента и точного выбора формообразующих движений. Профиль зубьев концевых фрез с детальным описанием элементов зуба показан на рисунке 4.6.



Рисунок 4.6 -профиль зубьев концевых фрез

Для точной гарантии "погружения" режущей части фрезы в материал, в произвольном месте заготовки, фреза обязательно должна иметь концевые режущие кромки. Трапецеидальная форма зуба наиболее распространена для острозаточенных фрез (Рисунок 4.7,а). Зуб такой формы затачивается по задней поверхности.

Высота зуба h выбирается в пределах 0,5...0,65 от окружного шага, а радиус r=(0,5-2,0) мм.

Крупные зубья фрез обычно оформляются согласно рисунку 4.7,б, форма зуба по рисунку 4.7.б имеет двойную прямолинейную спинку, где б - рабочий задний угол. В зависимости от обрабатываемого материала числовые значения углов могу варьироваться.

Зуб третьей формы (рисунок 4.7в) имеет криволинейную спинку

Такую форму зуба имеют, к примеру, быстрорежущие концевые обдирочные фрезы (ГОСТ15186-69).

Число зубьев выбирается из условий обеспечения равномерности фрезерования. Из теории резания известно, для винтовых фрез равномерность фрезерования достигается при условии, когда ширина фрезерования кратна осевому шагу инструмента.



Рисунок 4.7 - Форма остроконечных зубьев

Углы режущей части выбираются в зависимости от типа фрезы, свойств обрабатываемого материала и технологических условий обработки.

Передние углы у быстрорежущих фрез при обработке стали изменяются в пределах 20...100, твердосплавных - +150...-150, причем меньшие значения г назначаются для обработки стали с большей прочностью. Так как Высокопрочные стали имеют высокую прочность при достаточной пластичности (среднеуглеродистая легированная сталь 40ХН2МА), высокой конструктивной прочностью, малой чувствительностью к надрезам, высоким сопротивлением хрупкому разрушению, низким порогом хладноломкости, хорошей свариваемостью.

Задний угол б у мелкозубых фрез принимается равным 160, для фрез с крупным зубом - 120, а для дисковых и прорезных - до 300; у твердосплавных фрез б = 5...8 градусов.

Стоит отметить то, что, некоторые типы фрез имеют вспомогательные режущие кромки; задние углы б1 на них выбираются в пределах 4-8 градусов. Для торцовых и трехсторонних фрез важную роль играет главный угол в плане, определяющий соотношение между шириной и толщиной среза, и вспомогательный угол в плане ?1, при этом рабочая часть у фрез может быть оформлена различным образом в зависимости от типа фрезы и условий резания.

Углы наклона режущей кромки снабжены все типы фрез с угловой режущей кромкой - торцовые, дисковые, двух- и трехсторонние.

У цилиндрических фрез с винтовыми и наклонными зубьями. Обычно цилиндрические насадные фрезы имеют, концевые - угол щ = 45...60?, а дисковые двух- 30…60? и трехсторонние -15?-20?.

Самая большая по назначению группа фрезерного инструмента состоит из быстрорежущей стали. Принято различать: цилиндрические, дисковые, угловые, торцовые, отрезные и пилы по металлу.

Основные характеристики длин "хвостовой части" любой фрезы являются диаметр и длина. Из этого можно сделать вывод, что диаметр хвостовика должен во всем соответствовать диаметру цанги или патрону станка.

Стружечная винтовая поверхность фрезы обязана обеспечивать:

- оптимальные условия по срезанию припуска с заготовки, это достигается правильно подобранными (в зависимости от обрабатываемого материала) углами резания по всей длине режущих кромок;

- необходимо соблюдать достаточную прочность режущего зуба. Этого можно добиться формой зуба и равномерным увеличением глубины канавки в зависимости от возрастания диаметра образующей поверхности инструмента (наличие стружколомов и стружкоотводящих каналов (канавок));

- поддержание постоянных размеров по всей дине "ленточки".

Подведем промежуточный итог. Модель стружечной винтовой канавки фасонного инструмента, полученная в результате соблюдения названных условий обеспечивает:

- Постоянство величины ширины зуба вдоль всех режущих кромок;

- Постоянство значений переднего угла (угол гамма);

- Постоянство значений углов задних поверхностей зубьев (угол альфа) в торцовых сечениях и увеличение глубины канавки в случае движения подачи вдоль оси инструмента.

Часть геометрических параметров (общая длина, угол винтовой канавки, количество зубьев) позаимствовано из ранее спроектированных образцов концевых фрез и при поддержке каталогов цельных твердосплавных фрез производителей «Hanita», «Sandvik», «Hanita», «Iskar».

С учетом всех перечисленных выше факторов мы получили следующую конструкцию концевой фрезы и показали её на эскизе расположенном ниже(Рисунок4.8).

В соответствии с заявленными требованиями вносятся корректировки в габаритные размеры, рабочий диаметр, диаметр обнижения, углы резания.

Готовые эскизы спроектированной фрезы для обработки детали «кулачок», её рабочие поверхности, зубья и режущие углы представлены на рисунках 4.8 и 4.9.

Дальнейшим шагом в проектирование фрезерного инструмента является перенос всех данных с эскиза (виды, разрезы) на форматный лист (в зависимости от размеров инструмента и эстетических соображений) занесение необходимых технических требований и вычерчивание чертежа в готовом виде. После всех перечисленных манипуляций чертеж, прикрепленный к ведомости заказа на изготовление, направляется в инструментальный цех для дальнейшего изготовления и испытания инструмента. После завершения испытаний фреза отправится в механообрабатывающий цех с целью производства деталей «Кулачок».



Рисунок 4.8 - Эскиз концевой фрезы

Рисунок 4.9 - Эскиз концевой фрезы. Режущие поверхности

4.2 Технология применения фрезы при обработке детали «Кулачок»

Чертеж готовой концевой фрезы представлен ниже (рисунок 4.10), более подробно его можно рассмотреть в приложении 1. Операционные эскизы с процессом обработки детали «Кулачок» помещены в приложения 2 и 3.



Рисунок 4.10 - Чертеж концевой фрезы

Фреза монолитная, полностью состоящая из твердого сплава марки «К40UF» немецкой компании Konrad Friedrichs Gmb H&Co. KG, что в свою очередь отличается высокой твердостью и износостойкостью.

Спроектированная фреза имеет 2 исполнения (черновое и чистовое).

Они предназначены для обработки точных пазов шириной 4мм. Пазы выполнены по 6 квалитету точности. Обрабатываемые поверхности деталь «Кулачок» отмечены и показаны на рисунках 4.12, 4.13, 4.14. Обработка заготовки для детали «Кулачок» будет происходить на высокоточном, вертикальном обрабатывающем центре «WilleminMacodel-408s». Его можно увидеть на рисунке 4.11.

Ключевыми особенностями обрабатывающего центра являются наличие возможности работы в 5 осях (направлениях).

Станина и основные элементы конструкции обрабатывающего центра, отлитые из чугуна с шаровидным графитом, представляют собой закрытые секции со встроенными жесткими элементами, обеспечивающими высокие статические и динамические показатели, а также высокую жесткость. Станина фиксируется по трем точкам каркаса конструкции, на котором также крепятся инструментальный магазин, устройство смены инструмента, электрический шкаф, полное ограждение и другие узлы. Полное ограждение обеспечивает разделение между рабочей зоной и другими используемыми элементами станка. Безопасный доступ к различным блокам обрабатывающего центра обеспечивается через раздвижную дверь с фронтальной стороны, а также двери, расположенные сзади и с левой стороны обрабатывающего цента. Поворачивающаяся стойка ЧПУ расположена слева на фронтальной стороне станка.

Рисунок 4.11 - Горизонтальный фрезерный обрабатывающий центр WilleminMacodel-408s.

В первую очередь производится обработка паза №1. В данном случае заготовка детали перед обработкой «зажимается» в специальном станочном приспособлении (фиксирующие центра) с двух сторон. Паз №1 показан на рисунке 4.13, где он специально выделен другим цветом. Инструмент к заготовке подводится горизонтально.



Рисунок 4.12-Деталь «Кулачок»

Рисунок 4.13- Обрабатываемый паз №1

Затем идет процесс обработки паза №2. В данном случае деталь вновь «зажимается» в специальном станочном приспособлении (фиксирующие центра) с двух сторон, но уже с противоположной стороны. Паз №2 можно наблюдать на рисунке 4.14, там он так же, специально выделен другим цветом.

Рисунок 4.14- Обрабатываемый паз №2

В законченном виде деталь «Кулачок» показана со всех на рисунках 4.15, 4.16 и 4.17. Изначально, качество обработки можно оценить визуально, а затем подтвердить с помощью специального измерительного оборудования.

Рисунок 4.15-Деталь «Кулачок» вид №1

На данном рисунке хорошо виден паз №1, по завершению обработки деталь полностью покрывают хим. оксидированием.

Рисунок 4.16-Деталь «Кулачок» вид №2

На данном рисунке оба обрабатываемых фрезой участка хорошо просматриваются.

Рисунок 4.17-Деталь «Кулачок»

На данном рисунке хорошо виден паз под №2, деталь покрыта хим. оксидированием.

Следует отметить, что полученная деталь, в законченном виде, полностью соответствует заявленным в чертеже техническим требованиям, что в большей степени заслуга не только высокоточного обрабатывающего центра, (станка Willemin-408S) но и применяемого при обработке инструмента.

Применение данной фрез позволило сократить время обработки деталей.

5. Опыт реализации применения «5s» в процессе проектирования оснастки «АО ВОМЗ»

За период, прошедший с момента начала реализации проекта (Октябрь 2015г.) по сегодняшний день (Сентябрь 2016 года) число пользователей каталогами оснащения среди работников ИТР возросло на 30%. Процентное соотношение между сотрудниками, использующими в своей работе каталоги, а также не использующими представлены на диаграммах 1 и 2. Рисунки 5.1 и 5.2. Диаграммы составлены на основе опроса, проведенного среди рабочего персонала предприятия.

Рисунок 5.1 - Диаграмма «Сентябрь 2016»

Разработка каталогов в целом положительно отразилась на всех аспектах производственного процесса.

Дальнейшим шагом по внедрению станет занесение данных из каталогов (в том числе и конструкторскую документацию) в PLM системы, используемые внутри завода, это показано в видеосхема и изображено на рисунке 5.3.



Рисунок 5.2 -Диаграмма «Октябрь 2015»

Рисунок 5.3- Схема внедрения каталогов в PLM системы и производство

При помощи систем электронных каталогов становится возможным разработка системы классификации режущего инструмента, технологической оснастки и тары. Такие классификаторы могут быть независимы от принятых на текущий момент классификаторов ЕСКД. Составление таких классификаторов, или же кодификаторов, так же можно считать одним из следующих этапов по внедрению практик «Бережливого производства» в процесс проектирования оснащения.

Заключение

В ходе проделанной работы были изучены:

- Опыт зарубежных и отечественных предприятий, использующих и успешно применяющих технологии «Бережливого производства» («5S»)

- Каталоги зарубежного режущего инструмента (HOFMAN, Hanita, Sandvik и другие). В них были рассмотрены фрезы различных размеров и геометрии.

Произведен анализ режущей части инструмента. На основе инструмента, представленного в каталогах, внутри предприятия создан новый, в некоторых случаях модифицированный режущий инструмент, отвечающий запросам производства.