Модульный принцип в инструментальном производстве

Аннотация

В данной статье представлен модульный принцип в инструментальном производстве, который позволит распределить весь спектр металлорежущего инструмента, применяемого в настоящее время в машиностроении, в восемь основных модулей. Ограниченная номенклатура модулей должна обеспечивать множество различных инструментальных компоновок путем многообразия сочетаний и положений модулей.

Полный текст

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.