Точение почти чистой формы ведет к упрощению автоматизации

Токарная обработка с формой, близкой к заданной (NNS), — это тенденция, которая в течение двух десятилетий проникла в основное русло производства. Сейчас эту идею понимают почти все, кто занимается производством. По сути, токарная обработка NNS просто означает токарную обработку формованных или отлитых деталей, близких к окончательным размерам. Последствия этого метода продолжают раскрываться по мере того, как машины, инструменты и процессы включают в себя новые разработки и идеи.

В большинстве случаев токарная обработка NNS включает в себя обработку очень небольшого количества элементов детали; часто один или два, редко более трех. Токарная обработка NNS часто вызывает трудности с зажимом, потому что типичные детали часто имеют тонкие сечения, отливаются или формируются без крепления или исходных точек измерения. Поскольку типичная операция токарной обработки NNS является окончательной чистовой операцией, мы можем добавить, что она обычно относится к категории высокоточной токарной обработки, растачивания или торцовки.

Однако наиболее важным следствием токарной обработки NNS является то, как она повлияла на тенденции в области автоматизации. Когда время изготовления стружки становится меньшей частью общего времени цикла, управление работой и смена инструмента становятся главными препятствиями на пути к повышению эффективности. Токарная обработка NNS эволюционировала, чтобы очень хорошо совмещаться с простейшей обработкой и сменой инструмента. Тенденция, которая несколько вышла за рамки самой токарной обработки NNS, бросая вызов общепринятому мнению о том, насколько сложность хороша для эффективности производства и общей экономической эффективности.

Быстрая доставка и получение запчастей

«Наша задача состоит в том, чтобы доставлять детали в станок и извлекать из него как можно быстрее и как можно стабильнее», — говорит Дэн Круз, операционный менеджер Bearing Technologies, Inc., Div. компании MB Mfg. (Бентон-Харбор, Мичиган). Он имеет в виду обоймы для подшипников, которые производит его компания, изготовленные из нарезанных по размеру секций стальных труб 4118. Несмотря на то, что эта работа лишь в незначительной степени является операцией почти чистой формы (поскольку до 0,080 дюйма материала удаляется за три прохода режущего инструмента), в ней используются технология автоматизации и общий подход к процессу, которым способствовала токарная обработка NNS.

Компания Bearing Technologies использует два четырехосных многоосевых станка, объединенных в ячейку с помощью линейной системы переноса портального типа. Станки в этой ячейке отражают влияние токарной обработки NNS на конструкцию производственных токарных станков. Небольшие, плотно соединенные и рассчитанные только на один или два инструмента на каждом из двух инструментальных блоков с поперечным салазками («банда»), эти станки Wasino SS-8 предназначены для токарной обработки небольших деталей, требующих обработки лишь нескольких функции.

Без индексации револьверных головок смена инструмента происходит быстро. Время резки также сведено к минимуму благодаря одновременной резке двумя инструментами по четырем осям. Но только 15 % коротких циклов от 30 до 40 секунд связаны с обработкой. Время загрузки и выгрузки было сокращено настолько, насколько позволяют современные технологии.

Bearing Technologies использует экстремальный пример быстрой и простой загрузки и разгрузки:желобная система с гравитационной подачей подает детали по одной прямой и за одно движение. Он подходит только для кольцеобразных или дискообразных деталей, но он достигает цели, представленной в работе с NNS. Система желоба использует как можно меньше механических движений и загружается по кратчайшему практическому пути.

Ранее компания работала с двухосевыми токарными станками, оснащенными более традиционными загрузчиками. Их время резки было на 25 процентов больше, чем у новых четырехосевых станков. Но самая большая разница заключается в обработке работы. Общее время цикла было примерно в три раза больше, прежде чем они перешли на загрузчики с гравитационной подачей.

Допуски шлифовального станка

Многие приложения NNS доводят точность станка до крайности, часто заменяя операции шлифования и выполняя все токарные операции за один шаг или за один проход через ячейку, которая поворачивает оба конца детали. Твердые токарные работы часто попадают в эту категорию. Для зубчатых колес, втулок и других мелких деталей из порошкового металла (ПМ) твердое точение стало серьезным конкурентом для шлифования. Этот класс работ можно рассматривать как подкатегорию токарной обработки NNS, и он предъявляет такие же требования к эффективности и точности выполнения работ.

Кроме того, особое внимание уделяется жесткости станка и конструкции инструмента. Несмотря на то, что керамика используется при малонагруженном твердом точении, именно появление инструментов из поликристаллического кубического нитрида бора (PCBN) сделало твердое точение основным направлением производства. Эти инструменты служат в течение длительного времени и обеспечивают высокую устойчивость к износу, если тщательное внимание уделяется подготовке кромки.

Прецизионное точение NNS, твердое или мягкое, обычно требует дополнительной разработки приложения. Набор инструментов и инструментальные материалы имеют решающее значение как для более мягких, так и для твердых деталей, где большие тиражи сочетаются с высокой точностью и требованиями к чистоте поверхности. И многие такие детали требуют специального крепления или зажима.

Обработка небольших поршней для оборудования для газонов является хорошей иллюстрацией особых характеристик токарной обработки NNS. Точное литье под давлением в тонких срезах без легкодоступных исходных точек, эти детали трудно точно закрепить и имеют тенденцию легко деформироваться. Даже в этом случае юбки поршня часто можно повернуть с точностью до ±50 миллионных (0,000050) дюйма.

Легкий вес является ключевой целью для небольших поршней, и они стали естественным применением для точного литья под давлением. Но процесс литья не дает никаких возможностей для зажима внутренней части деталей. Они должны быть обработаны по всему внешнему диаметру, и единственной точкой отсчета для ориентации оси шпинделя является внутренняя часть купола поршня или головка.

Таким образом, токарная обработка представляет собой двустороннюю обработку, при которой чистовой внешний диаметр на торце короны должен быть продолжен на юбке без потери концентричности. Тонкие, легко деформирующиеся стенки юбки усложняют эту задачу.

Ответ заключается в сочетании деликатного, точного пневматического зажима и токарных кулачков — жестких губок для крупносерийного производства. Использование пневматических патронов, работающих при максимальном давлении в трубопроводе от 60 до 70 фунтов на квадратный дюйм, решает многие проблемы, связанные с зажимом тонкого сечения NNS. Они имеют тенденцию к точному зажиму в широком диапазоне давлений воздуха, от 30 фунтов на квадратный дюйм до максимум 70. Даже с гладкими кулачками они обеспечивают адекватный захват детали, если вращательное усилие невелико, как на алюминиевых поршнях.

Тем не менее, поддержание точности тонкостенных деталей — это нечто большее, чем просто их точная установка в патрон. Поршни представляют еще одну потенциальную проблему из-за их тонкого сечения:отверстия под поршневой палец, которые мы развёртываем на скоординированном обрабатывающем центре в том же машинном отсеке, расположены в тонкостенных бобышках. Они быстро нагреваются на первом этапе поворота, а затем закрываются по мере охлаждения, расширяя и сужая внешний диаметр поршня на 0,00015–0,00020 дюйма. В некоторых приложениях NNS с такими тепловыми искажениями чрезвычайно трудно справиться.

Гибкость и термическая чувствительность деталей NNS продолжают подталкивать к разработке лучших решений для зажимных патронов. Чистовая обработка кулачков патрона на станке стала стандартной практикой. Также обычно эти челюсти имеют коническое отверстие, чтобы компенсировать любое изгибание, которому они могут подвергаться при использовании. Рекомендуется обтачивать основания закаленных губок до большего диаметра, чем их концы, на 0,0005–0,001 дюйма.

Необходимо спроектировать губки так, чтобы площадь контакта была максимальной при использовании легкого давления. Даже в этом случае силы резания могут превышать силу захвата губок и привести к соскальзыванию деталей. Обычные прямоугольные зубья не очень помогают в этом отношении, но сообщается о хорошем успехе с острыми зубчатыми губками, изготовленными на заказ для каждого применения. Наиболее практичный способ сделать их в виде вставок с болтовым креплением, точеных и зубчатых вдоль оси шпинделя, в виде единой цилиндрической детали, а затем распилить, чтобы разделить вставки для каждой отдельной челюсти.

Зубцы на самом деле оставляют прекрасные следы на детали, поэтому они не решают всех проблем с зажимом. Но они решили некоторые очень сложные. В одном приложении, при токарной обработке литой втулки из алюминия марки 390 и зажиме гладкими кулачками, мы получили отклонения круглости от 0,0001 до 0,0003 дюйма, в основном из-за давления кулачка, необходимого для предотвращения проскальзывания, и из-за непостоянной линии разъема на внешней стороне. диаметр отливок. С зазубренными губками можно увеличить давление и при этом улучшить овальность в пределах от 30 до 50 миллионных (от 0,000030 до 0,000050) дюйма.

Закаленные детали создают еще большие трудности с зажимом. Проскальзывание является проблемой, поскольку силы резания несколько выше. И многие из этих деталей, особенно шестерни, нельзя закрепить ни на какой простой геометрической поверхности.

Зажим на делительной линии шестерни является теоретическим идеалом, потому что, если это установочное отверстие или втулка, которые обрабатываются (а так обычно и бывает), вы хотите, чтобы готовая шестерня вращалась по своей делительной линии для тихой и плавной работы. На коническом зубчатом колесе или даже на зубчатом колесе с плоской поверхностью делительная линия вряд ли является очевидной поверхностью зажима. На самом деле, вы даже этого не видите. Это теоретический круг, расположенный где-то на зубьях шестерни.

Мы решили эту головокружительную проблему, используя приспособления для зажима шаговой линии. Это закаленные, обработанные электроэрозионной обработкой «зубчатые» поверхности, которые крепятся к патрону и сопрягаются с заготовкой, что гарантирует, что деталь движется концентрично с ее делительной линией. Когда изделие соприкасается с приспособлением, две формы зубчатого колеса естественным образом сопрягаются по окружности наименьшего взаимодействия, которая, к счастью, является самой линией шага.

Крупносерийное коническое зубчатое колесо на заводе Black &Decker в Истоне, штат Мэриленд, использовало эту установку в крупносерийном производстве в течение нескольких лет. Закаленные и пропитанные медью детали PM обрабатываются и растачиваются на многоцелевом токарном станке с использованием инструментов из PCBN. Крепление по линии шага требует индексации детали по мере ее загрузки, чтобы избежать поломки детали и приспособления, вершины зуба к зубу, что поднимает следующую большую проблему с автоматизированным точением NNS:системы обработки заготовок.

Обработка работ для токарной обработки NNS

Обработка работы для токарной обработки NNS должна быть быстрой, потому что от этого зависит время цикла. Приложение для загрузки шестерни предполагает, что оно также должно быть универсальным, чтобы приспособиться к такой сложной вещи, как ориентация зубьев шестерни для сопряжения с приспособлением. Одним из наиболее замечательных достижений токарной обработки NNS стали эти быстрые и универсальные системы загрузки/разгрузки, достоинства которых заключаются в том, что они просты, встроены в станок и просты в управлении с помощью стандартного ЧПУ — в идеале того же ЧПУ, которое работает токарный станок.

Это «самостоятельная автоматизация», и она требует определения. Вот конфигурация типичного современного токарного станка NNS:Он состоит из нескольких инструментов, потому что обрабатывается только несколько элементов. Набор инструментов приводит к плотному механическому соединению между режущим инструментом и станиной станка. Это делает его жестким и упрощает сборку без револьверных втулок или зубчатых колес.

Загрузчик портального типа монтируется в верхней части машины и крепится непосредственно к станине машины. Путь рабочих захватов проходит строго по прямой линии от карусели рабочей площадки, встроенной в сам станок. Головка захвата перемещается по длине станины и прямо вверх и вниз на концах, захватывая и размещая детали на карусели и в патроне.

Современные портальные погрузчики используют программируемые приводы и патронообразные захваты с мягкими губками. Таким образом, замена деталей происходит быстро. Поскольку движений загрузки и разгрузки немного, а перемещения включают только одну ось за раз, их программы короткие. Их можно хранить в ЧПУ станка и управлять ими.

Это по своей сути точный, очень компактный корпус, и он является модульным, что позволяет легко собирать несколько машинных ячеек. Портальные загрузчики могут обслуживать промежуточную систему транспортировки, построенную по таким же простым линейным линиям, для обмена деталями между машинами.

Вернемся к применению зубчатой ​​передачи:требуется ориентация детали, но захваты похожи на патроны и не различают, как они захватывают детали с карусели. Как это их ориентирует? Делая паузу на промежуточной станции, где деталь падает на вращающееся приспособление, которое использует световой луч, чтобы определить, где находятся зубья, а затем вращает шестерню по мере необходимости, чтобы избежать аварии. Затем захват снова захватывает деталь и продолжает движение к патрону.

Таким образом, описанная нами портальная система проста, но не упрощенна; его можно доработать, благодаря его программируемости, чтобы сделать с деталью что-то дополнительное. Ориентирование — одна из таких задач. Измерение это еще один для онлайн-приложений SPC.

Токарная обработка с формой, близкой к заданной, требует точности и быстроты, а также обеспечивает простоту обращения с инструментом и работы благодаря характеру типичных деталей NNS. Автоматизированные токарные центры, разработанные для удовлетворения этого рыночного спроса, просты, но не бесхитростны:их можно программировать для выполнения специальных задач, включая измерение и ориентацию деталей.

По сути, эти автоматизированные токарные центры представляют собой предварительно упакованную автоматизацию. Быстрые в настройке, способные обеспечивать исключительную точность и универсальные, они указывают путь к лучшей автоматизации для многих других операций обработки, помимо токарной обработки почти чистых форм.