Технико-экономические показатели технологического оборудования

Основным требованием к любому станку является обеспечение требуемой точности обработки и параметров шероховатости при высокой производительности. Сохранение первоначальной точности станка на длительное время достигается при тщательном уходе и своевременном ремонте.

Технический уровень станка характеризуют: производительность, точность, прочность, жесткость, износостойкость, надежность, показатели качества, экономические и энергетические показатели.

Производительность станка характеризуется числом обработанных на нем деталей в единицу времени. Но этот показатель является относительным, так как на одном и том же станке при различной наладке и наличии тех или иных приспособлений можно получить различные значения этих показателей.

Штучная производительность (шт./год) выражается числом де­талей, изготовленных в единицу времени, при непрерывной, безот­казной работе.

При изготовлении на универсальном станке разных деталей его штучную производительность определяют по условной, так назы­ваемой представительной детали, форму и размеры которой берут усредненными по всему рассматриваемому множеству деталей. Все исходные параметры представительной детали (масса, размеры, допуски и т. д.) определяют для всей группы (семейства) рассматри­ваемых деталей как средневзвешенные величины.

Для станков широкой универсальности рассматривают набор представительных деталей, каждая из которых соответствует семей­ству однотипных деталей, сходных по форме и технологии обработки. Производительность определяют по среднему значению времени цикла обработки.

Производительность резания определяют объемом материала, снятого с заготовки в единицу времени. Этот показатель применяют иногда для оценки возможностей станков для предварительной обработки или для сравнения различных технологических способов размерной обработки (таблица 3). В таблице приведены также данные по затратам мощности при удалении I см³ металла за I мин.

Таблица 3 Производительность размерной обработки

Основные пути повышения производительности станков и ста­ночных систем связаны со следующими тенденциями: увеличением технологической производительности; совмещением разных опера­ций во времени; сокращением времени на вспомогательные движения; сокращением всех видов вне цикловых потерь.

Технологическая произво­дительность увеличивается с по­вышением скорости обработки (рисунок 10) и с увеличением сум­марной длины режущих кромок инструмента, участвующих в процессе формообразования.

Рисунок 10 - Изменение скорости реза­ния (ориентировочные значения) при использовании режущих инструмен­тов из разных материалов.

Повышение скорости обработки ограничивается свойствами ма­териала режущего инструмента. Резкое повышение скорости воз­можно при переходе на новые инструментальные материалы.

При замене режущего инструмента из быстрорежущей стали и твердого сплава инструментом из порошкового твердого сплава и алмазным инструментом можно ожидать существенное повышение скорости резания и соответственно подачи. Значительное повышение произво­дительности достигается применением эффективных смазочно-охлаждающих жидкостей. Увеличение суммарной длины режущих кромок приводит к усложнению и удорожанию режущего инструмента, что оправдывает себя, как правило, при соответствующем увеличении масштаба производства.

Сокращение времени на вспомогательные движения (холостые ходы) для повышения производительности станка обеспечивается совершенствованием привода и системы управления. Автоматизация смены инструмента и совмещение операций смены затупленного инструмента на станке с рабочими операциями сокра­щают потери времени на замену инструмента.

Прочность деталей станков исключает аварийные ремонты из-за их поломки. Расчеты на прочность деталей, выполняемые при проектировании станков, осуществляют по величинам допускаемых напряжений, коэффициентам запаса прочности или вероятности безотказной работы.

Точность. Для деталей машин понятие точности включает в себя точность формы и размеров отдельных участков детали, а также точность взаимного расположения этих участков.

Точность обработки характеризуется значениями допущенных при обработке погрешностей, т.е. отступлением размеров обработанной детали от заданных по чертежу. Погрешности обработки должны находиться в пределах допусков. Кроме того, необходимо при обработке заготовки получить заданную шероховатость поверхности, которая непосредственно зависит от метода обработки и режимов резания.

Точность обработки на станке будет в первую очередь зависеть от точности и шероховатости поверхностей деталей узлов станка. Геометрическая точность зависит от ошибок соединений при отсутствии внешних воздействий. Она зависит главным образом от точности изготовления соединений базовых деталей и от качества сборки станка. На погрешности в расположении основ­ных узлов станка существуют нормы; соответствие этим нормам проверяют для нового станка и периодически при его эксплуатации. Нормы на допустимые для данного станка геометрические погреш­ности зависят от требуемой точности изготовления на нем деталей.

Неточность обработки может возникнуть в результате тепловых деформаций узлов и деталей станка, а также вследствие снижения качества зубчатых колес и ходового винта, что влияет на точность кинематической цепи станка.

Кинематическая точность необходима для станков, в которых сложные движения требуют согласования скоростей нескольких простых. Нарушение согласованных движений нарушает правиль­ность заданной траектории движения инструмента относительно за­готовки и искажает тем самым форму обрабатываемой поверхности. Особое значение кинематическая точность имеет для зубообрабатывающих, резьбонарезных и других станков для сложной контурной обработки.

Жесткость. Критерий жесткости в станках является одним из важнейших. Жесткостью узла называется его способность сопротивляться проявлению по осям координат упругих смещений под действием нагрузки. При расчете узла на жесткость необходимо учитывать суммарную величину упругих отжатий, вызванных упругими деформациями всех видов.

Жесткость станка, его несущей системы должна обеспечить упругое перемещение между инструментом и заготовкой в заданных пределах, зависящих от требуемой точности обработки.

Меры по повышению жесткости станков направлены на создание таких конструкций, которые могли бы воспринимать большие силы резания при малой деформации узлов. К таким мерам относятся: повышение качества поверхностей стыков (сопряжений) и сборки; уменьшение числа стыков и сокращение кинематических цепей; создание жестких рамных конструкций базовых узлов; повышение жесткости слабых звеньев и т.д.

Износостойкость. В результате постепенного изменения поверхностей трения при взаимодействии двух сопряженных деталей происходит их изнашивание, т.е. уменьшение размеров и изменение формы деталей. По статистике большинство деталей машин выходит из строя из-за износа.

Для большинства деталей наиболее характерен абразивный износ, когда абразивные частицы, образующиеся при резании или царапании с отделением микростружки, попадая в смазочный материал или непосредственно на трущиеся поверхности, разрушают эти поверхности. Кроме того, при относительном перемещении двух поверхностей микровыступы испытывают переменные напряжения, вследствие чего в дальнейшем наступает усталостное разрушение. Появляются микротрещины, что также способствует отделению частиц материала.

В большинстве случаев можно наблюдать три стадии изнашивания (рисунок 11): I – период приработки; II – установившийся (или нормальный) износ; III – катастрофический износ.

Рисунок 11 – Стадии I, II, III изнашивания трущихся поверхностей:

U – величина износа;

t – время изнашивания.

Износ резко удорожает эксплуатацию машин в связи с необходимостью периодической проверки их технического состояния и ремонта, что связано с простоями и сокращением выпуска продукции.

Существуют следующие мероприятия по повышению износостойкости: смазывание трущихся поверхностей; применение износостойких материалов; защита поверхностей от загрязнения; перенос усилий с ответственных механизмов на менее ответственные и др.

Стойкость к тепловым воздействиям. Работа станка сопровождается тепловым выделением, вызываемым процессом резания и трением в механизмах. В результате теплового воздействия возникают тепловые деформации, отрицательно влияющие на работоспособность станка. Так, понижается защитная способность масляного слоя в трущихся поверхностях и, следовательно, увеличивается их износ или происходит заедание; изменяются зазоры в подвижных соединениях; нарушается точность обработки.

К основным источникам теплоты относятся процесс реза­ния, двигатели, подвижные со­единения, особенно при значитель­ных скоростях относительного дви­жения.

Тепловые деформации узлов станка могут быть рассчитаны, если известны их температурные поля.

Применяют следующие методы борьбы с тепловыми деформациями технологического оборудования:

- вынос узлов и механизмов с повышенным тепловыделением за пределы станка;

- использование в зоне резания смазочно-охлаждающей жидкости;

- принудительное охлаждение узлов;

- выравнивание температурного поля путем искусственного подогрева или охлаждения отдельных узлов.

Виброустойчивость. Под виброустойчивостью понимают способность конструкций работать в заданном диапазоне режимов обработки без недопустимых колебаний отдельных узлов и станка в целом. В связи с увеличением скоростей резания и быстрых ходов колебания становятся более опасными. Если частота собственных колебаний узлов станка совпадает с частотой вынужденных колебаний, наступает резонанс и станок может разрушиться.

Вибрации (колебания с малой амплитудой) также нежелательны. В металлорежущем станке вибрации, например, ухудшают качество обрабатываемой поверхности, уменьшают долговечность оборудования, ограничивают его технологические возможности.

Основное распространение в машинах имеют вынужденные, параметрические колебания и автоколебания.

Вынужденные колебания возникают под действием внешней периодически изменяющейся силы по следующим причинам: дисбаланс вращающихся деталей; ошибки в изготовлении зубчатых передач; прерывистое резание при фрезеровании, долблении, затыловании, протягивании; внешние источники колебаний.

Параметрические колебания возникают при наличии какого-либо переменного параметра, например, момента инерции поперечного сечения вала.

Автоколебания, или незатухающие самоподдерживающие колебания, характеризуются тем, что их источник находится в самой колебательной системе. При автоколебательном процессе в случае прекращения колебаний системы перестают существовать и переменные силы, поддерживающие эти колебания. Примером могут служить автоколебания при трении. Причиной этих колебаний является переменность силы трения в зависимости от скорости.

Рисунок 12 - Формы колебаний станка: х, у, z — амплитуды колебаний, мкм

Наличие колебаний в станках чаще всего сопровождается шумом. Шум связан с соударением движущихся деталей. Повышенный уровень шума сказывается на утомляемости персонала и, следовательно, вреден для здоровья. Основные меры борьбы с шумом: повышение точности и снижение шероховатости при обработке, применение демпферов и материалов с повышенным внутренним трением, применение систем автоматического управления уровнем колебаний.

Энергетическая характеристика. Одним из параметров, определяющих данную характеристику технологического оборудования, является коэффициент полезного действия (КПД). Для станков определяют КПД главного привода и КПД станка в целом.

Возможны два метода повышения КПД станка: 1) повышение КПД главного привода благодаря сокращению кинематических цепей, повышению качества изготовления отдельных пар, улучшению условий смазывания; 2) сокращение длительности холостых ходов, уменьшение массы узлов, уменьшение инерционных усилий, замена трения скольжения на трение качения.

Показатели качества станочного оборудования.

Показатели назначения – предельные размеры устанавливаемой заготовки и предельные размеры её обрабатываемых поверхностей; наибольшие размеры устанавливаемого на станке инструмента; наличие накопителей инструмента; наибольшее перемещение рабочих органов станка с инструментом и заготовкой; точность позиционирования; количество управляемых координат; количество одновременно управляемых координат; пределы частот вращения и рабочих подач; пределы скоростей быстрых (установочных) перемещений стола, ползуна, салазок, шпинделя; класс точности станка; показатели точности и производительности и др.

Показатели надежности – установленная безотказная наработка в сутки, в неделю; установленный срок службы до первого капитального ремонта; установленный ресурс по точности станка до первого среднего ремонта; коэффициент технического использования; среднее время восстановления.

Показатели экономного использования материалов и электроэнергии – удельная масса металла (в килограммах на единицу производительности); удельный расход электроэнергии (в киловатт-часах на единицу производительности).

Эргономические показатели – уровень звука на рабочем месте; корректированный уровень звуковой мощности.

Показатели технологичности – удельная трудоемкость изготовления станка.

Патентно-правовые показатели – патентная чистота; патентная защищенность.

Показатели стандартизации и унификации – коэффициенты применяемости по составным частям и по стоимости.

Показатели безопасности – показатели, обеспечивающие соблюдение общих требований безопасности при эксплуатации станков.

Надёжность. Проблема надежности оборудования является одной из основных проблем в машиностроении. Свойство изделия сохранять свою работоспособность в течении заданного промежутка времени, обусловленное безотказностью и долговечностью изделий, называется надёжностью.

Работоспособность – это состояние изделия, при котором оно способно выполнять свои функции, сохраняя значения заданных выходных параметров в пределах, установленных нормативно-технической документации.

Надежность закладывается при проектировании и расчете станка, а обеспечивается при его изготовлении. Надежность зависит от качества изготовленных деталей, качества сборки узлов и станка в целом, методов контроля и испытания готовой продукции. Надежность станка реализуется в процессе его эксплуатации.

Показатели безотказности и долговечности проявляются только при эксплуатации станка, зависят от качества его изготовления, условий эксплуатации, системы его ремонта и технического обслуживания, квалификации обслуживающего персонала.

Безотказность – это свойство изделия непрерывно сохранять свою работоспособность в течение заданного периода времени. В это понятие не включаются техническое обслуживание, ремонт, подналадка. Изделие должно сохранять свои начальные параметры в заданных пределах.

Долговечность – свойство изделия сохранять свою работоспособность в течение гарантированного периода эксплуатации. Здесь учитываются техническое обслуживание и ремонты всех видов.

Полная или частичная утрата работоспособности изделий называется отказом. По своей природе отказы могут быть связаны с повреждением поверхностей или разрушением деталей (выкрашивание, изнашивание, коррозия, поломки) или не связаны с разрушением (ослабление предварительного натяга подшипников, засорение каналов). Отказы бывают полные или частичные, внезапные (поломки) или постепенные (изнашивание, коррозия), опасные для жизни человека или нет, устранимые и неустранимые.

При оценке надёжности изделия очень важны экономические показатели. Повышение безотказности и долговечности станков при их создании связано с дополнительными материальными затратами.

Ремонтопригодность — свойство, заключающееся в приспособ­ленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений и поддержанию и восстановлению работо­способного состояния путем проведения технического обслуживания и ремонтов. Этот критерий является особенно важным для станков с высокой степенью автоматизации и автоматических станочных систем, так как определяет стоимость затрат на устранение отказов и связанные с этим простои дорогостоящего оборудования.

Технический ресурс - наработка от начала эксплуатации или ее возобновления после среднего и капитального ремонта до пере­хода в предельное состояние. Для определения долговечности отдель­ных элементов (деталей и механизмов станка) используют средний ресурс (математическое ожидание).

Для повышения надежности станков и автоматических станочных систем целесообразно:

- оптимизировать сроки службы наиболее дорогостоящих механизмов и деталей станков на основе статистиче­ских данных и тщательного анализа с использованием средств вычис­лительной техники;

- обеспечивать гарантированную точностную на­дежность станка и соответствующую долговечность ответственных подвижных соединений (опор и направляющих); применять материалы и различные виды термической обработки, обеспечивающие высокую стабильность базовых деталей несущей системы на весь срок службы станка; устранять в ответственных соединениях трение скольжения, применяя опоры и направляющие с жидкостной и газовой смазкой;

- применять в наиболее ответственных случаях при использовании сложных систем автоматического станочного оборудования принцип резервирования, резко повышающий безотказность системы; распро­странять в станках профилактические устройства обнаружения и предупреждения возможных отказов по наиболее вероятным при­чинам.