Modular principle in tool production

Abstract

This article presents modular principle in tool production, which allows to distribute entire range of metal cutting tools, currently used in mechanical engineering, into eight basic modules. The limited range of modules should provide a variety of different instrumental arrangements by different combinations of modules and regulations.

Full Text

Модульный принцип давно и широко применяется в разных отраслях промышленности (производство станков, технологии и др.), однако до сих пор не разработаны его научные ос- новы. Практически отсутствует строгий методологический аппарат, в литературе можно встретить самые разнообразные, нередко противоречащие друг другу понятия модуля, мо- дульного принципа и др., отсутствует классификация модулей и т.д. Все это затрудняет внедрение модульного принципа в инструментальное производство и требует проведения научных исследований в этой области. Под модульным принципом будем понимать построение различных технических си- стем с разнообразными характеристиками путем компоновки их из типовых модулей огра- ниченной номенклатуры. Металлорежущие инструменты представляют собой широкий спектр инструменталь- ных модулей, являющихся конструктивно и функционально законченной единицей. Разработка инструментальных модулей даст возможность проектировать металлоре- жущие инструменты со значительным сокращением времени и трудоемкости, увеличит надежность работы металлорежущего инструмента за счет отработанности составляющих элементов модуля, а также уменьшит разнообразие конструкций режущего инструмента, что приведет к улучшению условий эксплуатации и ремонтопригодности металлорежущего ин- струмента. Инструментальный модуль должен быть составляющим звеном технологического мо- дуля, как показано на рисунке 1, только в таком случае будет достигнут наивысший эффект от применения модульного принципа в машиностроительном производстве. При этом подра- зумевается, что модульный принцип будет пронизывать все составляющие звенья производ- ственной цепочки, начиная с изделия и заканчивая организацией производственного процес- са. Эффективность производства во многом зависит от уровня производственной цепочки: изделие - технологический процесс - технологическая система - организационная форма производственного процесса. При этом на эффективность производства влияет не только уровень развития каждого звена, но и в не меньшей степени равномерность их развития. Как показывает практика, развитие каждого звена происходит во многом независимо друг от друга. Это порождает большие сложности в осуществлении производственной цепочки. Технологический модуль Станочный модуль Инструментальный модуль Модуль оснастки Организационно- экономический модуль Рисунок 1. Структурная схема технологического модуля Модульный принцип в инструментальном производстве позволит распределить весь спектр металлорежущего инструмента, применяемого в настоящее время в машиностроении, в восемь основных модулей (таблица 1). Инструментальные модули Таблица 1 Модули Составляющий инструмент Конструкция РИ Инструментальный модуль для обработки плоскостей Цилиндрические и торцевые фрезы, подрезные токарные резцы, строгальные резцы, плоские протяжки и т.д. Цельные, составные и сбор- ные Инструментальный модуль для обработки цилиндриче- ских поверхностей (валы) Токарные резцы, фрезы и т.д. Цельные, составные и сбор- ные Инструментальный модуль для обработки отверстий Сверла, зенкеры, зенковки, цековки, развертки, расточ- ные резцы, внутренние про- тяжки, прошивки и т.д. Цельные, составные и сбор- ные Инструментальный модуль для обработки зубчатых по- верхностей Червячные зуборезные фре- зы, долбяки, зубострогаль- ные резцы, зубонарезные головки. Цельные, составные и сбор- ные Инструментальный модуль для обработки шлицевых поверхностей Червячные шлиценарезные фрезы, долбяки, строгаль- ные резцы и т.д. Цельные, составные и сбор- ные Инструментальный модуль для обработки фасонных по- верхностей Токарные фасонные резцы, фасонные фрезы, осевые ин- струменты и т.д. Цельные, составные и сбор- ные Инструментальный модуль для обработки резьбовых поверхностей Метчики, плашки, резьбовые токарные резцы и т.д. Цельные, составные и сбор- ные Инструментальный модуль для обработки поверхностей методом ППД Накатные головки, ролики, плоские плашки, бесстру- жечные метчики и т.д. Цельные и сборные Однако в связи с тем, что режущий инструмент обрабатывает детали с различной точностью, производительностью и используется в большом диапазоне типоразмеров, было ре- шено основные инструментальные модули разбить на подмодули, согласно приведенным выше характеристикам. Так, например (рисунок 2): Инструментальный модуль ПОДМОДУЛЬ №1 (точность РИ) ПОДМОДУЛЬ №2 (производительность РИ) Рисунок 2. Инструментальные подмодули ПОДМОДУЛЬ №3 (типоразмер РИ) Рассмотрим в качестве примера инструментальный модуль для обработки резьбовых поверхностей. В него входят резьбонарезные инструменты, которые по подмодулю № 1, со- гласно ГОСТ 3449-84, можно разделить на 3 класса точности: 1-й класс - предназначен для получения резьбы по квалитету 4Н или 5Н (5G); 2-й класс - предназначен для получения резьбы по квалитету 6Н или 7Н; 3-й класс - предназначен для получения резьбы по квалитету 8Н и грубее. Правильно выбранный и применяемый инструмент позволяет достичь высокой произ- водительности, использовать все потенциальные ресурсы и сделать любую операцию эконо- мически эффективной. Высокая производительность гарантируется с высокой степенью надежности. Следовательно, подмодуль №2 включает в себя резьбонарезной инструмент со стойкостью: Т1 = 20 - 35 мин; Т2 = 35 - 50 мин; Т3 = 50 - 60 мин. Резьба на современных крепежных элементах имеет следующие основные параметры: шаг - расстояние между двумя соседними нитками резьбы. Шаг резьбы измеряется либо как расстояние в миллиметрах (прямой способ измерения), либо как количество витков резьбы на единицу длины крепежного элемента (косвенный способ измерения). В нашей стране принято измерять шаг резьбы прямым способом. При монтаже быстрее вкручива- ются крепежные элементы, имеющие больший шаг резьбы (т.е. меньшее количество вит- ков резьбы на единицу длины); внешний диаметр - диаметр крепежного элемента с учетом выступающей части витков резьбы; внутренний диаметр - диаметр крепежного элемента в углублениях между нитками резьбы; угол вершины - угол на вершине витков резьбы. Если рассматривать крепежные эле- менты, врезающиеся при монтаже резьбой в основание, то чем острее угол резьбы, тем меньшее сопротивление вкручиванию оказывает материал основания. По типу резьба на крепежных элементах может быть внутренней (на гайках, соедини- тельных муфтах, гильзах анкеров и т.п.) и внешней (на шурупах, саморезах, болтах и т.д.). По виду резьба бывает метрической и неметрической. Часто вместо последнего терми- на используют термин <дюймовая>, противопоставляя метрическую и дюймовую системы измерения длин. Тем не менее, параметры как неметрической, так и метрической резьбы мо- гут быть выражены в любой из вышеупомянутых систем измерения. Для этого существуют специальные таблицы перевода параметров крепежных элементов из одной системы в дру- гую. Необходимость использования таких таблиц возникла в ходе интенсификации между- народной торговли, т.к. на разных географических рынках используются разные системы измерения длин: например, в США и Великобритании к крепежным элементам применяются обозначения параметров в дюймах, в континентальной Европе в миллиметрах. Так, для обо- значения диаметра крепежных элементов в странах с дюймовой системой измерения длин используются так называемые «калибры» или «размеры»: Калибр (номер, размер), обозначающий диа- метр крепежного элемента в дюймовой си- стеме измерения Калибр аналогичный дюймовому меру, диа- метр крепежного элемента в метрической системе мер (мм) #5 2.9 #6 3.5 #7 3.9 #8 4.2 #9 4.8 #10 5.0 #12 5.5 #14 6.3 Наиболее распространенными сегодня подвидами резьбы являются: резьба с широким шагом; разреженная резьба; резьба с мелким шагом; метрическая резьба; двухзаходная (переменная) резьба - состоит из чередующихся высоких и низких витков. Фактически это 2 резьбы с одинаковым шагом, одна из которых нанесена посередине между витками другой. Разница в высоте между высокой и низкой резьбой обычно со- ставляет от 40 до 50% от высоты высокой резьбы; ударная (зонтичная) резьба - состоит из толстых покатых витков с тупым углом верши- ны. 1 2 3 4 5 6 Рисунок 3. Подвиды резьбы Каждый вид резьбы имеет свое функциональное предназначение, в конечном результа- те, пригодность резьбового крепежного элемента к использованию в том или ином материале основания определяется в первую очередь видом резьбы. Чем плотнее материал основания, тем меньший шаг резьбы необходим для качественного закрепления. Так, шурупы по дереву имеют резьбу с широким шагом, а саморезы по металлу - резьбу с мелким шагом либо мет- рическую. Там, где закрепляемый элемент монтируется в ПВХ и подвержен опасности вы- дергивания, используются крепежные элементы с двухзаходной резьбой. Двухзаходная резь- ба также используется тогда, когда необходимо достичь прочного закрепления в разнород- ных материалах закрепляемого элемента и основания. Разреженная резьба предназначена для закрепления в мягкие или пористые материалы такие, как мягкие породы дерева. Удар- ная резьба используется в резьбовых крепежных элементах, монтаж которых осуществляется более быстрым по сравнению со вкручиванием ударным способом. Демонтаж крепежных элементов с ударной резьбой осуществляется традиционным методом выкручивания. Резьба является постоянным объектом усовершенствования. Так, результатом развития современной инженерной мысли являются: разнообразные проточки, позволяющие выводить мелкие частицы материала основания, разрушающегося в процессе нарезания в нем внутренней резьбы; углубления и зазубрины на резьбе, изменяющие ее форму на кончике крепежного элемента и обеспечивающие возможность вкручивания крепежного элемента в относительно мяг- кие материалы основания (дерево, ДСП, пластмассы) без предварительного сверления; ассиметричная резьба (угол между сторонами ее витков и перпендикуляром, проведен- ным из вершины витка к оси крепежного элемента, неодинаков, тогда как традиционные виды резьбы являются симметричными относительно такого перпендикуляра). Один из примеров ассиметричной резьбы - ударная; нанесение резьбы разных видов на отдельных участках одного крепежного элемента. Исходя из вышеизложенного можно утверждать, что режущий инструмент, предназначенный для нарезания таких разнообразных по исполнению и размерам резьбовых поверхно- стей, должен отличаться своими типоразмерами. Поэтому и был предложен подмодуль № 3. Металлорежущий инструмент находится в тесной взаимосвязи с металлорежущими станками, так как повышение производительности любого станка будет не возможно без оснащения его современными прогрессивными высокопроизводительными конструкциями РИ. Выбор инструмента для оснащения МС является одним из важных вопросов в техноло- гической подготовке производства. Разнообразие вариантов обработки и оборудования для их осуществления, большой спектр обрабатываемых материалов и другие факторы затруд- няют выбор режущего инструмента и делают его трудоемким. Известны два основных подхода для решения этой задачи: первый подход основывает- ся на анализе соответствия технических характеристик типового инструмента условиям раз- личных производств, второй - на совокупности экономических факторов. Выводы Можно выделить основные положения, характеризующие модульный принцип постро- ения и изготовления инструмента: модуль - это конструктивно и функционально законченная единица, являющаяся состав- ной частью общей системы инструментов; модули характеризуются наименьшим возможным числом связей для присоединения к ним новых модулей; ограниченная номенклатура модулей должна обеспечивать множество различных ин- струментальных компоновок путем многообразия сочетаний и положений модулей; модульный принцип проектирования инструмента наиболее полно отвечает требованиям решения конкретной технологической задачи - созданные на этом принципе инструмен- ты не обладают избыточными возможностями и поэтому они более экономичны по срав- нению с инструментом универсального исполнения; сокращается время и трудоемкость проектирования инструмента, поскольку модульный принцип позволяет более полно использовать выполненные ранее разработки; увеличивается надежность работы инструмента за счет отработанности, входящих в него модулей и наибольшего соответствия данной конструкции модулей выполняемой задаче; уменьшение разнообразия конструкций модулей и составляющих их элементов улучшает условия эксплуатации и ремонтопригодность; модульное проектирование позволяет создавать новый высокопроизводительный инстру- мент для наилучшей обработки заготовок, а не подгонять процесс под возможности ин- струмента общего назначения; модульный принцип дает реальную возможность заменить устаревшую форму и методы проектирования новых конструкций инструмента и их систем. Обеспечение требований, предъявляемых к РИ, во многом зависит от методики проек- тирования инструмента и принятой технологии его производства, причем последняя имеет свои специфические особенности как на этапе получения заготовок, так и при последующей обработке.