5. Технология машиностроения второй половины XX века

Во второй половине XX столетия в области теории резания появились работы по кинематике резания, стойкости и износу режущего инструмента, впервые были получены аналитические выражения для сил резания при различных видах обработки. Были созданы основы теории обрабатываемости металлов и теории устойчивости процесса резания. Была разработана теория колебаний процесса резания и расчета станков на виброустойчивость, исследованы вопросы резания металлов с наложением ультразвука и обеспечения стружкодробления, а также целый ряд других вопросов, связанных с интенсификацией процесса обработки материалов.

Для чистовой обработки особо прочных металлов в промышленности началось применение режущего инструмента, оснащенного природным алмазом. Однако сравнительно небольшие объемы добычи природных алмазов и их высокая стоимость побудили ученых найти способ получения искусственных алмазов. Такой способ был найден в 50-х годах. И в 1958 г. началось крупномасштабное производство синтетических алмазов, а с 60-х годов они стали достаточно широко применяться в промышленности в основном как абразивный материал.

Синтетические алмазы производятся из графита в специальных камерах при высоком давлении (около 100000 атмосфер) и высокой температуре (порядка 2700°С). Из синтетических алмазов чаще всего изготавливаются шлифовальные круги на алюминиевой основе.

По своим свойствам к синтетическому алмазу приближается другой сверхтвердый синтетический материал - кубический нитрид бора или, как его еще называют, боразон или эльбор. По своему составу - это химическое соединение бора и азота. Приближаясь по своим режущим свойствам к алмазу, этот материал обладает почти вдвое большей теплостойкостью. Он был впервые получен в 1960 г. и с 1964 г. производится промышленно.

В 1959 г. профессором В.М. Кованом был опубликован труд «Основы технологии машиностроения». В этой работе В.М. Кован сформулировал основные научные положения технологии машиностроения и привел методики технологических расчетов для условий различных отраслей машиностроения.

В начале 60-х годов профессором С.П. Митрофановым были сформулированы научные основы групповой технологии. Основная мысль групповой технологии заключалась в том, чтобы различные детали машин, сходные по технологическим признакам, но имеющие конструктивные отличия, могли обрабатываться на одном и том же оборудовании, с применением сходной и унифицированной оснастки.

В тот же период свои труды по технологии машиностроения опубликовали видные отечественные ученые В.С. Корсаков и Г.А. Фираго, а профессор Ф.С. Демьянченко разработал технологические основы организации поточного производства.

В конце 50-х, начале 60-х годов нашего столетия в области технологии машиностроения появилось понятие автоматизации технологического проектирования на базе средств вычислительной техники, которое впоследствии оформилось в понятие САПР - ТПП (система автоматизированного проектирования технологической подготовки производства). В истории развития САПР - ТПП можно выделить ряд этапов.

В 1955 - 60 гг. получила развитие вычислительная техника, что дало возможность выполнить ряд экспериментальных работ по применению вычислительной техники в решении задач технологической подготовки производства.

Второй этап принято относить к 1960 - 65 гг., когда было создано большое количество локальных САПР - ТИП, в частности предназначенных для проектирования процессов токарной, фрезерной и сверильной обработки. На этом же этапе появились теоретические работы по САПР, посвященные различным языкам кодирования деталей и попытки формализации самого процесса проектирования технологий.

Третий этап длился с 1965 г. по 1970 г. Этот период характерен сменой поколений вычислительной техники. ЭВМ второго поколения, т.е. ЭВМ типа "Минск", стали заменятся на более производительные и обладающие большей памятью ЭВМ серии ЕС. Это сразу вызвало оживление в сфере разработки САПР - ТПП. В это время была проведена большая работа по формализации описания деталей, формализации отдельных этапов проектирования технологических процессов, стандартных процедур и программ обработки технологической информации, появились первые работы по принятию технологических решений. При этом работы в области САПР -ТИП продолжали носить в основном экспериментальный характер и широкого промышленного применения не имели.

Однако, со второй половины 70-х годов и, особенно, с начала 80-х годов нашего столетия отмечается активным появлением и внедрением в производство различных САПР -ТПП. В этот период отчетливо выделялись три направления в идеологии САПР - ТПП: метод унифицированного технологического процесса (отражен в трудах Г.К. Горанского, Н.М. Капустина, С.П. Митрофанова), метод синтеза технологического процесса (продолжен и обоснован В. Д. Цветковым) и метод сочетания индивидуальных решений технолога с типовыми решениями системы (впервые теоретически обоснован Б.Е. Челигуевым).

Из зарубежных ученых, работавших в области САПР -ТПП (САО/САМ - систем) в нашей стране наиболее известны

Г. Шпур и Ф.-Л. Краузе (ФРГ), М. Грувер и Э. Зиммерс (США), а также У.Д. Энегельке и Б. Хокс (США).

С научной точки зрения появление многочисленных работ в области САПР -ТПП способствовало развитию технологии машиностроения, так как впервые к решению задач проектирования технологических процессов были применены математические методы и получены строгие математические зависимости принятия технологических решений для многих технологических задач. Технология машиностроения из описательной дисциплины стала превращаться в точную науку.

С конца 70-х до конца 90-х годов нашего столетия на отечественных предприятиях функционировали сотни различных систем автоматизации технологического проектирования, в том числе: обработки резанием, горячей штамповки и ковки, холодной штамповки, сборки, термообработки, изготовления жгутов и кабелей и многие другие. Широкому внедрению подобных систем в эти годы способствовало переоснащение предприятий компьютерной техникой и переход на персональные компьютеры.

В области станкостроения развитие шло в основном по пути повышения точности, надежности и функциональных возможностей металлорежущих станков. Были разработаны различные приспособления с пневмо- и гидроприводами, была разработана унифицированная переналаживаемая технологическая оснастка (УПТО). Созданы специализированные станки для производства изделий космической техники и других уникальных изделий. В 60 - 70-х годах академик Л.Н. Кошкин создает и внедряет в производство свои автоматические поточные линии роторного типа, отличающиеся небывалой производительностью. В это же время была разработана целая гамма резцов с механическим применением твердросплавных неперетачиваемых режущих пластин, которые появились в конце 60-х годов (рис. 27).

Рис. 27. Поворотные и неперетачиваемые пластины

для токарных резцов и фрез

Однако главным событием технологии машиностроения второй половины 20 века следует считать появление станков с числовым программным управлением (ЧПУ) (рис. 28). Сохраняя функциональные возможности автоматических станков, станки с ЧПУ весьма быстро могут переходить от обработки одной номенклатуры деталей к совершенно другой. Для этого достаточно сменить управляющую программу, комплект режущего инструмента и выполнить настройку станка, на что обычно уходит от одного до четырех часов.

К первым станкам с ЧПУ промышленного применения следует отнести токарно-винторезный станок 1К62ПУ (рис. 29) и токарнокарусельный 1541П.

Эти станки появились в первой половине 60-х годов, оснащались одним инструментом, но могли обрабатывать детали достаточно сложного профиля. Станки работали совместно с управляющими системами типа ПРС - ЗК и другими. Впоследствии парк оборудования с ЧПУ пополнили вертикально-фрезерные станки 6Н13 с системой управления "контур -ЗП".

Рис. 28. Многофункциональные станки с ЧПУ

Середина 70-х годов характерна появлением и промышленным применением многоинструментальных станков с ЧПУ, в том числе станков РТ-725 с системой контур - 2ПТ, 16К20 с системой ЭМ -907 и 1М63 с системой французского производства А1са1е1. РТ -725 представлял собой токарно-лобовой станок с пятипозиционной вертикальной револьверной головкой. К станку прилагалось приспособление для настройки режущего инструмента вне станка. Станок 16К20 являлся токарным станком с шестипозиционной горизонтальной револьверной головкой. Это был один из первых станков с ЧПУ, который мог выполнять различные виды резьб. 1М63 являлся также токарным станком, но оснащался четырехпозиционной вертикальной револьверной головкой. Системы управления ЭМ-907 и А1са1е1 были замечательны тем, что это первые системы, работавшие в международном стандарте 180 – 7bit, из примененных на отечественных предприятиях.

Рис. 29. Токарно-винторезный станок 1К62ПУ

и токарно-карусельный 1541П

Появление многоинструментальных станков с ЧПУ позволило проектировать технологические процессы обработки деталей с укрупненными, насыщенными переходами операциями. К концу 70-х годов появились достаточно надежные системы ЧПУ отечественного производства типа Н-22 и Н-33, соответственно для токарного и фрезерного оборудования. Среди сверлильных станков выделяется станок 2Р135 с пятипозиционной инструментальной головкой, в том числе и с позицией для метчика.

В те же годы на отечественных предприятиях появились токарные и фрезерные многоцелевые, многофункциональные станки типа обрабатывающий центр. К токарным многоцелевым станкам относились станки типа МОУ - 220 «Мах Мiller» с системой ЧПУ Sinumerik и станки СТП -220 с системой ЧПУ Н-22. Эти станки имели элеваторные инструментальные магазины для размещения в них до 14 инструментов, в , в том числе различных резцов, сверл и зенкеров. Эти станки позволяли выполнять весьма сложные и насыщенные операции в том числе и над корпусными деталями.

Основу группы фрезерных обрабатывающих центров составляли станки ИР-500 и ИР-300 Ивановского станкозавода. Эти станки вначале оснащались системами управления типа Н -33, а затем системами ЧПУ типа «Вовой». Подобные станки предназначались для обработки сложных корпусных деталей с применением различных видов фрезерования, сверления, зенкерования, развертывания, нарезания внутренних резьб, растачивания и точения.

В середине 80-х годов многофункциональные токарные фрезерные станки послужили основой для создания гибких автоматизированных производств (ГАП). Появлению ГАП способствовало развитие и распространение различных систем автоматизированного проектирования и управления, в том числе САПР-ТИП, автоматизированной

системы управления (АСУ) и автоматизированной системы управления производством (АСУП), средств вычислительной техники и промышленных роботов. Промышленные роботы появились в 60-х, 70-х годах нашего столетия и предназначались для автоматизации погрузочно-разгрузочных и транспортных операций, связанных с обслуживанием металлорежущего оборудования. Промышленные роботы оснащались различными захватами, которые позволяли им захватывать и удерживать при транспортировке различные детали, заготовки и инструменты. Промышленные роботы могли иметь целый набор таких захватов, отвечающих конфигурации транспортируемых предметов, причем смена захвата в руке могла выполняться автоматически. К функциям промышленного робота относится не только транспортировка различных предметов, но и их пространственная ориентация. Управление промышленным роботом осуществлялось от системы ЧПУ.

В целом, теория ГАП и ее техническое воплощение были реализованы в конце 80-х годов. При этом ГАП представлял собой совокупность многоцелевых станков с ЧПУ, оснащенных промышленными роботами, связанных единой транспортно-складской системой и другими вспомогательными системами, которые работали над управлением единого управляющего вычислительного комплекса. Применение ГАП позволяло сравнительно быстро переходить к обработке любых по конфигурации деталей из заранее оговоренного перечня, без перепланировки производственных площадей и какой - либо серьезной переналадки оборудования (рис. 30 и 31).

Надежность технических и программных средств ГАП, правильно подобранная номенклатура обрабатываемых деталей, организация автоматического контроля параметров качества детали и износа режущего инструмента, автоматическая поднастройка оборудования возможных отказов элементов ГАП и автоматическое устранение неполадок привели к понятию безлюдной, а затем к понятию безбумажной технологии. При этом под безлюдной технологией принято понимать такую организацию работы ГАП, которая происходит в автоматическом режиме без участия человека в течение заданного времени. Такая организация работы ГАП реализована в некоторых развитых странах запада. Под безбумажной технологией принято понимать такую организацию проектирования и выполнения технологических процессов, когда все процессы обработки содержатся в памяти ЭВМ в виде управляющих программ для станков с ЧПУ и по мере необходимости могут быть автоматически загружены в память системы ЧПУ и запущены на выполнение, при условии технической готовности ГАП к выполнению этих процессов. Следует полагать, что безбумажная технология имеет смысл при организации безлюдной технологии.

Рис. 30. Внешний вид ГАП по производству автомобильной коробки передач из поковок, применяемых на заводе фирмы "Тойота"

К настоящему времени сформировались основные способы и методы воздействия на обрабатываемую поверх-

ность. Исторически их разделяют на традиционные и нетрадиционные (или электрофизикохимические) методы обработки.

Традиционные методы воздействия известны достаточно давно, и связаны с удалением слоя металла за счет непосредственного контакта инструмента и обрабатываемой поверхности. Укрупнено они могут быть разделены на магнитные, химические, механические и тепловые процессы. Рассмотрим каждый из них более подробно.

1. Механическое воздействие на поверхность по своему характеру может быть разделено на постоянное и импульсное.

К постоянному воздействию относится :

1) обработка металла резанием лезвийными и абразивными инструментами со снятием стружки на металлорежущих станках;

2) пластическое деформирование (без снятия стружки), которое заключается в уплотнении поверхностного слоя детали. Это обкатывание и раскатывание роликами, продавливание и калибрование отверстий шариками или оправкой; накатывание рифленой поверхности;

3) дробеструйная обработка металлических поверхностней, при которой термически обработанные детали подвергаются ударному воздействию потока дроби, вызывающей пластическое деформирование поверхностного слоя и увеличение его твердости и прочности.

К импульсному механическому воздействию относится :

1) обработка металлов давлением (пластическое деформирование), ковка, горячая и холодная штамповка, прессование, прокатка, волочение;

2) ультразвуковая обработка, при которой энергия вибрирующего инструмента в виде ультразвуковых колебаний передается абразиву, расположенному под торцовой

частью инструмента и разрушающему обрабатываемый материал.

Тепловое воздействие или термическая обработка применяется для изменения структуры металла и получения новых механических и физических свойств. К ее разновидностям относится и химико-термическая обработка, необходимая для улучшения физических и механических свойств поверхности детали (увеличение жаропрочности, износоустойчивости и т.п.) за счет изменения химического состава поверхностного слоя. При этом он может искусственно насыщаться азотом (азотирование), алюминием (алитирование), углеродом и азотом с последующей закалкой (цианирование), насыщение низкоуглеродистой стали углеродом с последующей закалкой (цементацию)и т.д. Характерной особенностью этого вида воздействия является то, что он может быть применен практически на любой стадии технологического процесса, однако существуют определенные особенности по размещению этих операций в общем технологическом процессе изготовления деталей.

Кроме того к этой группе воздействий относят:

1) электроэрозионную обработку (ЭЭО), при которой между двумя электродами (катод - инструмент, анод - деталь) возникает электрический разряд, приводящий к местной направленной электрической эрозии металла анода;

2) лазерную обработку, использующую мощное излучение оптических квантовых генераторов для нагрева, плавления, испарения, сварки и резания материалов;

3) плазменную обработку, применяемую для высокотемпературного концентрированного нагрева, резки материалов, нанесения покрытий из тугоплавких металлов, оксидов, карбидов и нитридов.

Химическое воздействие, основанное на удалении припуска с поверхности заготовки за счет химических реак-

ций. В качестве примера такого воздействия можно привести электрохимическую обработку (ЭХО), сущность которой заключается в растворении материала детали в среде электролитов под действием электрического поля (это явление носит название электролиза). Кроме того в машиностроении применяется и обратный процесс - гальванопластика, позволяющий покрывать поверхность слоем хрома, никеля, цинка, меди и других токопроводящих материалов за счет осаждения их ионов из растворов электролита.

Магнитное воздействие в настоящее время применяется лишь в виде магнитоимпульсного формообразования и может быть отнесено к методам обработки давлением. При этом силы резания, вызывающие деформацию и изменение конфигурации изделия, создаются за счет электромагнитных эффектов непосредственно в самой заготовке, выполняемой из то-копроводящего материала. При этом никаких промежуточных рабочих сред для передачи механических воздействий на заготовку не используется.

К технологическим показателям любого вида обработки относятся:

1. Производительность, которая оценивается как отношение объема (или массы) удаленного металла ко времени обработки.

2. Качество поверхности, которое может быть характеризовано двумя основными признаками:

- физико-механическими свойствами поверхностного слоя детали;

- степенью шероховатости поверхности, или ее чистотой. Все перечисленные методы воздействия, за исключением теплового и химического воздействий, подвергают поверхностный слой пластическому деформированию. Это приводит к изменению физико-механических свойств поверхностного слоя детали, появлению наклепа поверхности и изменению ее микротвердости с созданием внутренних

них напряжений. Степень наклепа и глубина распространения пластических деформаций зависят от метода обработки и конкретных режимов.

При химическом воздействии также происходит изменение физико-механических свойств обрабатываемого материала, но оно носит другую природу. Вследствие химических реакций на обрабатываемой поверхности наблюдается межкристаллитное растравливание, приводящее к концентрации напряжений в поверхностном слое и, как следствие, снижению механических свойств деталей. При тепловой обработке характер процессов, протекающих в поверхностном слое, может вызвать как повышение, так и снижение эксплуатационных свойств детали.

На эксплуатационные свойства детали машин - износостойкость, прочность и др. существенное влияние оказывает шероховатость обрабатываемой поверхности. Чистота получаемых поверхностей зависит от режимов обработки, материала заготовки и инструмента, способа воздействия и других факторов.

3. Точность обработки, под которой понимают степень соответствия действительных размеров детали заданным параметрам, максимально достижимую при данном способе обработки. При рассмотрении точности как технологического параметра различают две характеристики точности:

- точность самой поверхности (соответствие по размеру, форме и шероховатости);

- точность положения этой поверхности относительно других поверхностей детали (соответствие по параллельности, перпендикулярности и др.).

Каждому из названных воздействий соответствует своя максимально достижимая точность, которая зависит от множества факторов, в том числе неточности оборудования, погрешности инструмента, режимов обработки и др.

Из анализа этих данных следует, что не существует

универсального метода, который позволял бы достичь оптимальных технологических показателей. Каждый способ имеет преимущества перед другими по определенным технологическим признакам, но не сочетает в себе достоинства всех исходных воздействий. Эту проблему пытаются решить путем создания новых нетрадиционных методов, обеспечивающих заданные технологические показатели изделий, с сохранением достоинств исходных способов обработки, лежащих в основе вновь разработанного метода. Для этого применяют оптимизации типовых технологий обработки на основе поиска оптимальных режимов и способов воздействия на обрабатываемую поверхность. Такие вновь разработанные методы получили название - комбинированные или нетрадиционные технологии.

Нетрадиционные технологии являются сочетанием различных технологических приемов, в каждом из которых пытаются использовать и усилить положительные признаки, необходимые для технологического процесса изготовления детали. В настоящее время при различном сочетании магнитного, химического, механического (постоянного или импульсного) и теплового воздействий разработано около 20 нетрадиционных технологий, тогда как анализ всех возможных вариантов комбинации воздействий показывает, что существует реальная возможность разработки около 800 новых технологий. В качестве технологических параметров, требующих оптимизации и максимализации, следует выбирать производительность, качество поверхности, энергоемкость и др., при этом процесс выбора новой комбинации воздействий напрямую зависит от оптимизируемого параметра.