CC BY
265
УДК 62-187.4
А.А. Павлов, М.В. Виноградов
ТОЧНОСТНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ОТЕЧЕСТВЕННОГО И ЗАРУБЕЖНОГО ПАРКА ПРЕЦИЗИОННЫХ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
Проводится анализ прецизионных токарных и фрезерных станков различных производителей по основным параметрам. Основной акцент сделан на точностных параметрах. Вводятся понятия измерительной, вычислительной и исполнительной точности.
A.A. Pavlov, M.V. Vinogradov
PARAMETERS OF ACCURACY OF DOMESTIC AND FOREIGN PARK OF PRECISION METAL-CUTTING MACHINES
The analysis of precision turning and milling machines of different manufacturers by main parameters are carried out in this article. The basic accent is made on parameters of accuracy. Concepts of measuring, computing and executive accuracy are introduced here.
С прогрессом техники все острее возникает необходимость точной обработки металла. Появляется задача развития производства не только в сторону большей автоматизации и выполнения все более сложных операций, но и в сторону улучшения качества работ. Причем эта задача не имеет окончательного решения - ведь всегда можно сделать еще точнее, еще надежнее. Сегодня перед промышленностью поставлен новый рубеж - освоение нанометровой точности обработки детали [1-3].
На сегодняшний день изготовлением металлорежущих станков во всем мире занимается более 2,5 тысяч фирм, из них более 300 в России. Все эти станки различаются по размеру обрабатываемой детали, по точности обработки, по степени автоматизации. Станки сверхвысокой точности - так называемые прецизионные станки - производят 200 фирм [4,5] по всему миру и менее 10 в России, среди которых Специальное конструкторское бюро «Модуль» (г. Самара), Рязанский станкостроительный завод, Самарский станкозавод.
Попытка анализа и сопоставления точностных показателей станков различных производителей сталкивается со следующей проблемой. Различные фирмы могут представлять различные показатели и называть их точностью. И если в России эти показатели нормированы ГОСТ 4.93-83, зарубежные производители следуют нормативным документам своих стран. Так, точность позиционирования инструмента немецкая фирма KNUTH называет стабильностью повторяемости (repeatability). Некоторые же производители (например, крупная французская фирма Schaublin), указывая тип станка - прецизионный или ультрапрецизионный, - вообще не предоставляют точностные показатели в доступных в сети Интернет материалах [7-9].
Металлорежущий станок можно рассматривать как систему управления, имеющую датчики, вычислительные устройства и исполнительные органы. Ввиду несовершенства каждой из этих частей, возникают некоторые погрешности обработки, и каждая из них имеет свои точностные показатели. Назовем их точностью измерительной, вычислительной и исполнительной соответственно.
Измерительная точность зависит от параметров применяемых в системе типов датчиков. Данный вид точности можно повысить, применяя более совершенные измерительные устройства. Современная техника предлагает целый ряд датчиков различной природы и конструкции, точность измерения которых колеблется от долей миллиметра до нанометров.
Бурное развитие микропроцессорных ЭВМ дает современной промышленности возможность использования контроллеров с достаточно высокими показателями точности и быстродействия. Использование современных микропроцессоров позволяет в реальном времени просчитывать огромные массивы данных практически любой разрядности, благодаря чему вычислительная точность гораздо выше других видов точности.
Исполнительная точность - это точность обработки детали, которую может обеспечить исполнительная часть станка, т.е. погрешность обработки детали. Она зависит от параметров узлов, применяемых в исполнительной части станка, таких, как двигатель, редуктор. Здесь могут сильно сказываться люфт (особенно в реверсивных приводах), скольжение, износ, потери на трение. Именно к исполнительной точности относится показатель «точность позиционирования» (ГОСТ 4.93-83).
В табл. 1 и 2 приведены показатели точности некоторых металлорежущих станков различных производителей. Были взяты наиболее совершенные модели фирм-производителей. Среди точностных показателей, предложенных производителем, были выбраны показатели, соответствующие исполнительной точности. В таблицу также вынесены основные характеристики станков - максимальный размер обрабатываемой детали и частота вращения шпинделя.
Таблица 1
Основные показатели токарных станков
Модель Производитель Максимальный диаметр обрабатываемой детали, мм Частота вращения шпинделя, мин-1 Исполнительная точность, мм
ыдыс тикы Магак 90 15000 0,0002
140Р-СЫС БсИаиЬПп 150 6000 0,001
16Б16ДУ «Станкозавод» 180 2000 0,002
ир-1 Мага к 179 3000 0,002
ТПАРМ ОАО «Тантал» 100 3150 0,0025
М200ВФ3 СКБ «Модуль» 320 6000 0,004
16Б16П «Станкозавод» 180 2000 0,005
й1_ СЫС 500 КпиШ 300 2200 0,008
М200ПФ3 СКБ «Модуль» 320 6000 0,010
|_г 360 б GDW 195 3000 0,012
Таблица 2
Основные показатели фрезерных станков
Модель Производитель Макс. размер обрабатываемой детали, мм Частота вращения шпинделя, мин-1 Исполнительная точность, мм
НТ-3Д МІТБиі БЕІКІ 500 - 0,001
3Ш2РД МЫОШД! 200 900 0,002
МД3 твиодмі 250 - 0,002
УЕСТСЯ 610 СЫС КпиШ 410 8000 0,003
УТС-20 СВ МДгДК 510 - 0,005
ОРША Ф32Ш ПКФ Спецстанок 180 2000 0,012
Для более детального сравнения в табл. 3 приведены показатели токарных станков с одинаковой исполнительной точностью, равной 2 мкм.
Также следует отметить, что все прецизионные станки имеют весьма значительную цену. Так, токарный станок БЬ СКС 500 фирмы КпиШ имеет стоимость 1 350 000 руб., а модель БЬ СКС 1900 с большим размером обрабатываемой детали - 5 400 000 руб. Фрезерный станок ОРША Ф32Ш российской фирмы ПКФ «Спецстанок» имеет стоимость 1 165 000 руб. Это объясняется тем, что для достижения заданной точности промышленность использует новейшие технологические наукоемкие разработки. Например, в токарном модуле ТПАРМ применяются аэростатические направляющие, удерживающие суппорт с инструментом на расстоянии в несколько микрометров от направляющих.
Таблица 3
Сравнение токарных станков 16Б16ДУ, УР-1 и ТПАРМ-100
Технические характеристики 16Б16ДУ UP-1 ТПАРМ-100
Наибольший диаметр обрабатываемого изделия над суппортом, мм 180 179 100
Длина обрабатываемого изделия, мм 750 400 100
Управление скоростями шпинделя бесступенчатое бесступенчатое бесступенчатое
Пределы чисел оборотов шпинделя, мин-1 5-2000 50-3000 160-3150
Постоянство диаметра в сечении, мм 0,002 0,002 0,0025
Погрешность обработки контура, мм 0,004 0,002 0,005
Мощность электродвигателя главного привода, кВт 5,5 5 1,8
Габариты (ширина х высота), мм: 2270x1110 2400x1350 1800x2000
Вес станка, кг 2050 2500 1800
Уровень качества металлорежущего станка часто определяется требованиями к точности обработанных на нем деталей, под которой понимают точность размеров, формы и взаимного расположения обработанных поверхностей, их волнистость и шероховатость. Резкое увеличение сложности станков за счет оснащения их микропроцессорными системами управления с большим количеством датчиков, необходимости учета разнообразных стационарных и нестационарных силовых, тепловых и виброакустических воздействий, роста номенклатуры и сменяемости изделий для удовлетворения потребностей рынка требует обеспечения их технологической надежности. Станок может быть представлен иерархической структурой из совокупности подсистем различного уровня, объединенных единой целью - обработка деталей с заданной точностью. Каждая подсистема, выполняя собственную задачу, обеспечит достижение поставленной цели.
В составе формообразующей подсистемы станка можно выделить привод главного движения, приводы подачи, подсистему режущего инструмента, направляющие, несущие элементы конструкции. При расчетах характеристик функциональных подсистем станков используются различные математические модели. Наиболее традиционным направлением обеспечения точности и надежности станков является совершенствование их конструкции путем применения новых технических решений и элементной базы.
Связь параметров детали, вектор которых обозначим Y (t), с совокупностью входных, внешних и внутренних показателей можно представить в виде функционала
Y(t) = Y {Z (t), R (t), T(t ),V(t)} , (1)
где 2 (^) - вектор показателей заготовки, описывающий ее физико-механические свойства и геометрические размеры; К (^) - вектор показателей режимов резания; Т (^) - вектор показателей технологической системы; V (^) - вектор возмущающих воздействий.
В каждом конкретном случае имеется свой набор показателей, причем среди них целесообразно выделить доминирующие и в дальнейшем рассматривать только их влияние. Все показатели могут быть переменными и иметь детерминированную и стохастическую составляющие, что затрудняет строгий анализ характера их влияния на точностные показатели детали и усложняет процесс управления формообразованием.
Введение глубокой отрицательной обратной связи по положению значительно повышает точность позиционирования рабочих органов станков, однако, как показали исследования, особенности механических передач иногда сводят на нет возможности таких высокоточных датчиков обратной связи, как лазерный интерферометр.
На всех этапах жизненного цикла станка весьма существенным является анализ влияния скорости процессов на его технологическую надежность, что позволяет выбрать наилучшие решения по обеспечению точности в зависимости от построенной модели. Роль медленных процессов (износ базовых узлов, коррозия и т.п.) снижается, например, за счет совершенствования конструкции. Процесс средней скорости (износ режущего инструмента, тепловые деформации), компенсируется вводом корректирующих воздействий. Роль быстропротекающих процессов (вибраций) снижается совершенствованием конструкции и оптимизацией режимов резания. Учитывая, что прецизионные автоматизированные станки представляют собой сложную машину с разнообразными взаимодействиями его элементов, только проведение специальных испытаний позволяет указать наиболее эффективный путь повышения качества станков.
Исследование динамики приводов как исполнительных устройств автоматизированных металлорежущих станков представляется неотъемлемым этапом проектирования, поскольку к ним предъявляются жесткие требования по обеспечению высокого качества формообразующих перемещений. Нестабильность заданного закона выходного перемещения может быть обусловлена такими факторами, как кинематическая погрешность, зазор или самоторможение в передаче, пульсации управляющего момента, колебания нагрузки, высокая виброактивность привода. Моделирование динамики и анализ полученных динамических характеристик можно проводить средствами МаШсаё, как наиболее удобного инструмента решения систем дифференциальных уравнений. В результате анализа динамики приводов автоматизированных металлорежущих станков с несколькими нелинейностями в механической цепи привода (сухое трение, люфт, самоторможение, нестабильность передаточной функции) должны быть определены режимы с потерей устойчивости и возбуждением автоколебаний, определены мероприятия по ликвидации автоколебаний: изменение параметров системы с целью ее вывода из автоколебательного режима; применение механических средств (устройства выборки зазора, смазка); синтез цифровых компенсирующих алгоритмов.
Результаты исследований показали, что для выполнения высокоточной обработки на прецизионных станках целесообразным является применение в приводах подачи фрикционных передач, которые позволяют в определенных условиях получить технические характеристики, недостижимые при использовании других типов передач. Использование рекомендаций [1] позволяет получить стабильные результаты по качеству обработки деталей с размерами 30...80 мм на уровне 1...3 квалитета за счет повышения точности позиционирования рабочих органов станка до 0,1.. .0,2 мкм.
Опыт эксплуатации приводов подачи прецизионных токарных модулей типа ТПАРМ с многоступенчатой фрикционной передачей (МФП), разработанных в ПО «Тантал», показал, что при их рациональной компоновке обеспечивается значительное упрощение кинематических цепей, высокий КПД, низкий уровень виброакустических колебаний, возможность реализации режима стружкодробления путем наложения
возвратно-поступательных перемещений на формообразующие движения суппорта. Однако в процессе эксплуатации приводов с МФП был выявлен ряд факторов, которые приводили к снижению их параметрической надежности. Теоретические исследования и практический опыт обусловили необходимость системного подхода к анализу параметрической надежности привода подачи, что позволило, в соответствии с концептуальными положениями, связать на междисциплинарном уровне физические процессы в контактах фрикционных пар, вопросы долговечности МФП, особенности силового взаимодействия роликов, динамические и точностные характеристики привода, а также вопросы его настройки, диагностирования и обслуживания [2].
Основная зависимость, определяющая работоспособность МФП, имеет вид:
Рпктр = Рс^ т , (2)
где Рп - сила прижатия роликов; ктр - коэффициент трения; рс - запас сцепления (для силовых передач рс=1.2...2.0, для приборных Д = 2.0...3.0); ¥т- передаваемая окружная сила. Из формулы (2) следует, что сила Рп значительно превышает ¥т. Для роликов МФП используются закаленные стали твердостью ИЯС 60 (шероховатость поверхности Ка=0,32...1,25 мкм), например, ШХ-4, ШХ-15, 18ХГТ, 18ХВН, 65Г и другие [3]. Исследования показали, что периодические структурные преобразования поверхностных слоев взаимодействующих роликов в процессе работы, наряду с попаданием на них пыли, влаги, масла, вызывают колебания значений ктр. При этом меняются не только тяговые свойства МФП, но и параметрическая надежность привода подачи.
Опыт эксплуатации прецизионных токарных модулей типа ТПАРМ показал их высокую разрешающую способность в режиме позиционирования (до десятых долей мкм), реализацию контурной обработки, нарезание резьбы без кинематических связей суппортов и режим стружкодробления за счет возвратно-поступательных движений суппорта.
На сегодняшний день промышленность только подходит к промышленному освоению нанометрового рубежа, и требуются дальнейшие исследования в данном направлении. Перед научной общественностью стоит задача разработки таких технических решений, которые позволят обойти проблемы, возникающие на пути дальнейшего увеличения исполнительной точности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Точность и надежность автоматизированных прецизионных металлорежущих станков. Ч. 3 / А.А. Игнатьев, М.В. Виноградов, В.А. Добряков и др. Саратов: СГТУ, 1999. 124 с.
2. Виноградов М.В. Пути повышения точности обработки на прецизионных автоматизированных станках / М.В. Виноградов // Актуальные проблемы электронного приборостроения и машиностроения: сб. науч. ст. VI Междунар. науч.-техн. конф. Саратов: СГТУ, 2002. С. 123-126.
3. Виноградов М.В. Повышение точности формообразующих перемещений при прецизионной обработке на автоматизированных металлорежущих станках / М.В. Виноградов // Исследования станков и инструментов для обработки сложных и точных поверхностей: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 2002. С. 29-34.
4. http://www.expocenter.ru/
5. http://www.kellysearch.com/
6. http://www.knuth.de/
7. http://www.mazak.com/
8. http://www.skgm.ru/
9. http://www.schaublin-russia.ru/
10. http://www.vingriai.lt/
Павлов Алексей Александрович -
аспирант кафедры «Автоматизация и управление технологическими процессами» Саратовского государственного технического университета
Виноградов Михаил Владимирович -
кандидат технических наук,
доцент кафедры «Автоматизация и управление технологическими процессами» Саратовского государственного технического университета
