Инструментальная оснастка, обеспечивающая повышение экономической скорости резания
Быстросменная бесподналадочная замена инструмента. Для автоматизированного производства вопросы быстросмеиности и бесподналадочиой замены инструмента решаются комплексно (см. рис. 4.2, позиции 5—8). Необходимо, чтобы установленный на станок инструмент без дополнительной подналадки обеспечивал получение размеров детали в точке поля допуска, обеспечивающей максимальный запас иа износ. Для понимания принципа бесподналадочной замены на примере точения рассмотрим зависимость точности обработки от точности размеров инструмента, погрешности установки его иа станке и износа.
Быстросменность инструмента обеспечивается совершенствованием методов его крепления и базирования, а также унификацией присоединительных поверхностей режущего и вспомогательного (зажимного) инструмента.
Базирование инструмента должно быть таким, чтобы силы резання воспринимались базовыми поверхностями вспомогательного инструмента (резцедержавки), а элементы крепления инструмента были от них разгружены. Назначение элементов крепления — прижать базовые поверхности режущего инструмента к базовым поверхностям вспомогательного инструмента.
Резцы следует устанавливать в закрытые пазы резцедержавок и обеспечивать их вылет относительно резцедержавки на 3—5 мм, чтобы сила R=Pz+Py,, проходила через опорную поверхность резцедержавок (рис. 4.4, а). Достоинство такого способа установки резцов заключается еще и в том, что державка резца не испытывает напряжений изгиба, а следовательно, можно применять резцы меньшего сечения, чем на универсальных станках. Увеличивается также виброустойчивость инструмента. Наибольшее распространение получило крепление резцов клиновидным сухарем, который затягивается винтом (см. рис. 4.4, а). Значительно меньшее время для замены требуется при закреплении резца клином, расположенным на подпружиненной тяге (рис. 4.4,б). Клин 7 упирается в наклонную поверхность резца 2, выполненного со стороны опорной поверхности резца 1. Паз под клин делается под углом р относительно боковой поверхности резца. Такое выполнение резца обеспечивает гарантированное касание боковой и опорной поверхности резца к соответствующим поверхностям резцедержателя 4, а также упора 3. Для замены резца достаточно рукояткой сдвинуть тягу 5, и резец свободно снимается. Такое крепление обладает еще и тем достоинством, что обеспечивает возможность подналадки резца без его открепления. Однако данный тип крепления не получил широкого распространения, так как требует высокой точности выполнения при высокой трудоемкости, н необходима защита пружины 6 и тяги от попадания мелкой стружки и окалины.
Быстросменность осевого инструмента обеспечивается применением цилиндрических хвостовиков с передачей крутящего момента шпонкой (рнс. 4.4, в). Винт 1 препятствует сдвигу инструмента при его отводе по окончании обработки. При использовании стандартного осевого инструмента с коническим хвостовиком применяют переходные втулки (рис. 4.4, г), а также быстросменные патроны (рис. 4.4, е). Крепление инструмента осуществляется шариком 1 при осевом перемещении втулки 2 влево. Прн перемещении втулки вправо ее выточка располагается против шарика, и инструмент можно свободно снять.
Бесподналадочная замена инструмента обеспечивается наличием элементов регулирования его размера по длине нлн размера вылета. Элементы регулирования компенсируют также изменение размеров инструмента после переточки.
На резцах требуемую длину получают применением регулировочных винтов со сферической головкой, которая должна касаться упора резцедержавки. Разность расстояния от упора до оси шпинделя и длины настроенного на размер резца равна диаметру обработки. Точный вылет вершины резца относительно боковой поверхности державки обеспечивается изготовлением (для резцов с многогранной пластиной), заточкой (для составных резцов) илн регулировкой винтами, расположенными по нормали к боковой поверхности. В случаях расположения в одной резцедержавке нескольких резцов (см. рис. 4.4, а) точность их взаимного расположения обеспечивается точным расположением пазов под резцы.
Бесподналадочная замена осевого инструмента достигается применением регулировочных винтов, обеспечивающих получение требуемой длины инструмента (см. рис. 4.4, в) или регулировочных гаек (рис. 4.4, г), позволяющих получить необходимый вылет инструмента.
Настройка на размер инструмента вне станка осуществляется либо в приспособлениях, либо на специальных приборах. Приборы для настройки инструмента на размер, например моделей БВ-2010, БВ-2011, обладают большой универсальностью и могут применяться для настройки как резцов, так и осевого инструмента, имеют оптическую систему отсчета координат и обеспечивают точность настройки в пределах 0,01 мм. Приборы моделей БВ-2013, БВ-2014, БВ-2015 и БВ-2016 с окулярным методом визирования предназначены для настройки инструментов станков сверлильно-расточной и фрезерной групп, обеспечивают точность настройки по длине до 0,01 мм и по диаметру до 0,002 мм.
Как правило, приспособления для настройки инструмента не обладают универсальностью. На рис. 4.4, д приведена схема приспособления для настройки резцов. Нулевое положение индикатора устанавливается по эталону и затем с помощью регулировочного винта достигается размер резца, равный размеру эталона с погрешностью до 0,01 мм. При точности настройки резцов ±0,01 мм погрешность диаметральных размеров деталей составляет около 0,05 мм. На приспособлении упор для режущей кромки резца представляет собой цилиндрическую поверхность с радиусом R, равным радиусу обработки. Такое исполнение упора обеспечивает автоматическую компенсацию погрешности расстояния от опорной поверхности до вершины резца.
Приведенные конструктивные решения быстросменной бесподналадочной замены инструмента обеспечивают снижение потерь времени на замену и настройку инструмента, но предусматривают выполнение этих операций наладчиком. Нормы времени на настройку инструмента для
станков с ЧПУ в зависимости от качества инструментальной оснастки и вида инструмента составляют 5—10 мин, а для инструмента автоматических линий — до 2 мин.
Механизмы автоматической замены инструмента
Основные принципы конструирования механизмов автоматической замены инструмента сводятся к следующему:
применение бесподналадочной замены инструмента, обеспечивающей получение заданного размера детали;
использование, где это возможно, сил резания для крепления инструмента;
механизм замены инструмента должен получать движения от механизмов станка или специального гидропривода;
заполнение или смена магазина инструментов должна производиться без остановки станка.
Размещение механизмов автоматической замены инструмента должно быть предусмотрено конструкцией станка.
На рис. 4.5, а показана схема механизма для автоматической замены предварительно настроенных на размер резцов /, помещенных в магазин 2. При перемещении в гидроцилиндре 5 поршня 4 с толкателем вправо очередной резец под действием силы тяжести попадает из магазина на загрузочную площадку. В крайнем правом положении шток 7 поворачивает рычаг 8, перемещая ползун 6 с упором 9, передвигающим изношенный резец вперед. Сферическая головка регулировочного винта раздвигает подпружиненные шарики 10, и резец освобождается.
При перемещении поршня влево толкатель 3 передвигает резец с загрузочной площадки в мерный паз державки. Новый резец выталкивает затупившийся в сборник изношенного инструмента. Подпружиненные шарики 10 прижимают регулировочный винт к торцу толкателя, который одновременно является упором.
На рис. 4.5, б приведена схема механизма автоматической замены пальцевых фрез для закругления зубьев у шестерни.
После обработки заданного количества зубчатых колес счетчик циклов включает соленоид 10, соединенный с зубчатой рейкой 9, поворачивающей откидной рычаг 8 в положение, показанное на схеме. По окончанию рабочего цикла шпиндельная бабка 1 перемещается и рычаг 6, передвигаясь по скосу откидного рычага 8, открывает цангу 2, закрепляющую фрезу 3. При дальнейшем движении шпиндельной бабки толкатель 7 передвигает фрезы по трубе цанги, выталкивая изношенную фрезу в сборник. В начале следующего цикла при перемещении шпиндельной бабки в рабочую позицию рычаг 6 сходит с конической поверхности рычага 8, и цанга сжимается под действием пружины 4, а очередная фреза из кассеты 5 поступает в приемник. Возникающие
при резании осевые силы прижимают регулируемый винт фрезы к откидному упору 2, обеспечивая точность осевого положения фрезы в пределах 0,1 мм.
Устройства для автоматического регулирования размеров обработки за период стойкости инструмента (позиции 9—11, см. рис. 4.2) применяют в тех случаях, когд размерная стойкость инструмента не обеспечивает полное использование режущих возможностей инструмента за одну установку. При автоматической под- наладке (или регулировании) размеров обрабатываемой детали систематические погрешности обработки компенсируются изменением положения инструмента относительно базовой поверхности (или оси заготовки), осуществляемым по командам измерительных устройств. Максимальная величина подналадкн инструмента рассчитывается по формуле Аn =[δA—(Δп+(ώT)]/2, но для повышения точности обработки может составлять меньшую величину.
На рис. 4.5, в приведена державка с устройством для автоматической подналадкн проходного резца. В державке использован «отскок» резца при обратном ходе суппорта. Державка состоит из корпуса 15, заклепляемого на суппорте, и поворотной резцедержавки 16, сидящей на осн 8 с роликами 7. Поворот резцедержавки осуществляется следующим образом. По команде от измерительного устройства через штуцер 9 воздух поступает в цилиндр 5 и перемещает поршень со штоком 4 до упора во вставку 13, преодолевая усилие пружины 6. Со штоком 4 с помощью штуцера соединен поводок 3 с собачкой 1. При движении поршня влево собачка 1 поворачивает храповое колесо 2, сидящее на кулачке 11. На торце кулачка выполнена спираль, в которую через деталь 18 упирается свободный конец резцедержавки 16. Пружина 17 постоянно прижимает резцедержавку к торцовой поверхности кулачка 11. Поворачиваясь, кулачок давит на резцедержавку 16, которая поворачивается вокруг оси 8 н изменяет положение вершины резца относительно обрабатываемой поверхности. После прекращения подачи воздуха поршень под действием пружины 6 возвращается в исходное положение. Одновременно в исходное положение возвращается н собачка 1. Кулачок 11, удерживаемый подпружинным тормозом 10, остается на месте.
Диапазон подналадки укладывается в один оборот кулачка. Сменные вставки 13 обеспечивают перемещение резца при повороте кулачка на заданное количество зубьев храпового колеса. В автоматическом цикле подналадка осуществляется только в направлении осн детали. В нала- доном цикле после разъединения храповика и храпового колеса поворот кулачка может осуществляться в любом направлении. Для фиксации начального положения кулачка 12 на крышке и на лыске кулачка нанесены риски. Крепление резца осуществляется подпружиненной тягой. Регулировочный винт резца упирается в торец винта-упора 14.
На рис. 4.5, г приведена схема державки для фасонного призматического резца, обеспечивающей его автоматическую под- наладку. Предварительно настроенный на размер резец 6 крепится в закрытом пазу державки подпружиненной тягой 7, головка которой входнт в Т-образный паз резца и прижимает опорную поверхность к державке. В процессе работы составляющая 296
силы резания Рг воспринимается опорой 8, а радиальная составляющая Ру — подвижной планкой 5, которая перемешается регулировочным кулачком 4, закрепленным на оси 3. Тяга 1, соединенная со штоком гидроцилиндра, перемещает храповый механизм 2 по командам измерительного устройства. Храповый механизм поворачивает регулировочный кулачок на заданный угол, перемещая вершину резца в направлении оси изделия. При смене резца кулачок переставляют в исходное положение. Применение подпружиненного крепления резца позволяет производить его подналадку без ослабления элементов крепления, в этом большое преимущество крепления резцов подпружиненными тягамн.
Повышение размерной стойкости инструмента обеспечивается применением на станках адаптивного управления, которое автоматически исключает систематическую переменную погрешность обработки, связанную с увеличением силы резания при износе инструмента. Достоинство адаптивных систем управления состоит в том, что они являются элементами конструкции станка и не требуют создан,;,"; специальной инструментальной оснастки.
Повышение стойкости инструмента (см. рис. 4.2, позиции 12—14). Увеличение стойкости инструмента обеспечивает снижение затрат на инструмент. Увеличить стойкость можно как способами, применяемыми на универсальном оборудовании, например за счет применения инструментов с износостойкими покрытиями, так и спсобами, не применимыми на универсальном оборудовании, путем применения СОЖ с расходом 50—100 л/мин. Для этого резцедержавки делаются с отверстиями для подвода СОЖ, а зона резания изолируется от окружающей среды.
Повысить стойкость инструмента можно за счет применения инструмента с подвижными [39] круговыми режущими кромками с принудительным (рис. 4.6, а) или самопроизвольным поворотом пластин (рис. 4.6, б). При подводе суппорта резец 3 (см. рис. 4.6, а) с круглой пластиной 4 касается обрезнненного ролика / с храповым механизмом 2 и пластина поворачивается на угол, зависящий от дуги кон пластины с роликом. При отводе суппорта ролик свободно вращается.
На рис. 4.6, б приведена схема конструкции торцовой фрезы. Круглые твердосплавные пластины 1 свободно установлены в пружинящей обойме 2 и прн врезании самопроизвольно поворачиваются на небольшой угол. Стойкость фрезы увеличивается до 15 раз по сравнению с обычными фрезами.
Устройства, обеспечивающие снижение простоев оборудования из-за инструмента.Осуществление полной автоматизации обработки деталей резанием невозможно без информаци о состоянии режущих кромок инструмента, о характере стружки (формировании ее в виде, обеспечивающем свободный отвод нз зоны резания и от станка).
Устройства, обеспечивающие снижение простоев оборудования по вине инструмента (рис. 4.7), на станках автоматических линий применяют редко из-за множества работающих инструментов и ограниченности пространства для нх размещения. Эти устройства применяют главным образом для мелкоразмерного инструмента (сверл, метчиков), часто выходящих из строя в результате поломок, или для инструментов, работа которых протекает с интенсивным изнашиванием.
Для станков ГПС применение устройств обязательно, иначе не может быть обеспечена их непрерывная работа в течение длительного времени.
Устройства информации об износе инструмента (см. рис. 4.7, позиции 4—10) предусматривают как прямые (позиции 4—6), так и косвенные методы измерения износа (позиции 8—10). Для измерения износа прямыми методами применяют датчики касания, которые регистрируют либо размерный износ, либо, прн их перемещении, износ по задней поверхности. Конструкция датчика приведена на рис. 4.8, а. Корпус 4 закрепляется на подвижном узле 1 станка. В корпусе находится подпружиненная пластина 3, в которую вставлен измерительный наконечник 6. Наконечник проходит через электромагнит 5. В обмотке электромагнита создается переменное магнитное поле, вызывающее колебания наконечника. При касании наконечником блока его колебания нарушаются, что регистрируется электронной системой 8 с усилителем 7, а координаты соответствуют измеряемому размеру. Точность измерения ± 1 мкм. Датчик защищают от стружки. Его применяют на станках с ЧПУ и в ГПС не только для измерения износа, но и для определения фактических координат вершины лезвия инструмента с целью автоматической корректировки управляющих программ.
Система технического зрения представляет собой специальную телевизионную установку, позволяющую на расстоянии до нескольких метров наблюдать инструмент н оценивать его износ. Фотоэлектрический метод измерения (рис. 4.8, б) износа основан на том, что угол отражения луча света на изношенном участке отличается от угла отражения на неизношенном участке резца. Отраженный луч улавливается фототранзистором. Метод позволяет оценивать и износ зубьев вращающейся фрезы. Длительность отраженных импульсов пропорциональна величине износа [33].
Величину износа инструмента можно оценивать по времени его работы, т. е. по числу изготовленных деталей, определяемых по счетчику циклов. Этот метод может применяться в тех случаях, когда износ инструмента происходит без сколов режущей кромки. Оценивать величину износа можно и по изменению размеров детали, но для этого необходимо измерение каждой детали.
Недостаток перечисленных методов оценки износа инструмента заключается в их пассивности, так как измерения произ
водятся после окончания процесса резания и оценивается фактический износ.
Наиболее перспективными [26] методами косвенной оценки величины износа инструмента являются методы, основанные на измерении составляющих силы резания в процессе обработки деталей. Эти методы применимы для станков ГПС, так как на них одновременно работают. 1—2 инструмента. Для измерения сил резания используют либо пьезоэлектрические динамометры, либо тензометричес- кие датчики, устанавливаемые в шпинделе станка. Тензометрическнй датчик (рис. 4.8, в) состоит нз наружной 6 н внутренней 7 втулок, соединенных с помощью электронно-лучевой сварки. Между втулками имеется вакуумная полость 5. На внутренней втулке наклеены тензо- метрические датчики 3, концы которых через керамический изолятор 2 подсоединены к кабелю /. Во внутренней втулке предусмотрены посадочные места 4 для подшипников шпинделя станка. Под действием усилия резания внутренняя втулка и тензометрические датчики деформируют ся пропорционально величине сил резания. Датчики устанавливают на станках сверлильно-расточной и фрезерной групп, на которых работает один инструмент. На токарных станках револьверная головка монтируется на пьезоэлектрическом динамометре. Электрические сигналы от датчиков сил резания, крутящих моментов или силы потребляемого тока поступают в электронные устройства, называемые мониторами. Если износ и соответствующая ему сила резания превышают установленный верхний порог, то дается сигнал на замену ннструмета. Если сила резания внезанно увеличивается, а затем на время 1 мс уменьшается до нуля (рис. 4.8, г), то монитор воспринимает это как поломку инструмента и дает команду на выключение подачи. Время выключения подачи не превышает времени одного оборота шпинделя станка, поэтому инструмент дополнительных повреждений не имеет.
На рис. 4.8, д, е, ж (позиции 13, 14, 15, рис. 4.7) приведены датчики касания, пневматический и индуктивные, сигнализирующие о том, что инструмент уже сломался. Они применяются для мелкоразмерного инструмента. Каждому датчику соответствует определенная схема исполнительных механизмов для остановки станка. При использовании датика касания (рис. 4.8, д) команда на повторение цикла дается только тогда, когда головка плунжера 2 коснется вершины сверла /.
Сокращение простоев оборудования, вызываемых неудовлетворительным формированием стружки (см. рис. 4.7, позиции, 19—21). Получение дробленой стружки при обработке на токарных станках вязких материалов является важнейшей задачей- Для ломания стружки применяют накладные стружколомы, уступы и лунки на передней поверхности резца, а также различные формы передней поверхности на многогранных твердосплавных пластинах. Однако перечисленные устройства не всегда обеспечивают ломание стружки, особенно при подачах до 0,2 мм/об. В таких случаях применяют кинематическое дробление стружки, при котором суппорт станка перемешается с подачей So, мм/об, а резец в резцедержавке 300
имеет возвратно-поступательное движение с амплитудой, равной (0,8... 1) So- Кинематическое дробление позволяет получить стружку любой длины за счет выбора частоты колебаний резца. Частота колебаний v, Гц, выбирается по формуле v = πdn/(k1lстр), где d — диаметр детали, мм; n — частота вращения шпинделя станка, мин-1; kстр — коэффициент укорочения стружки; lстр — требуемая длина стружки, мм. Схема механического устройства для кинематического дробления стружки приведена на рис. 4.8, з.
Возвратно-поступательное движение резца 2 относительно обрабатываемой заготовки 1 осуществляется от кулачка 5 через рычаг 6. Контакт резца с датчиком 6 обеспечивается рычагом 3 и пружиной 4.
Инструментальная оснастка станков с ЧПУ. Назначение станков с ЧПУ — автоматизированная комплексная обработка сложных деталей мелкими сериями.
Станки с ЧПУ работают в автоматическом режиме, поэтому их инструментальная оснастка должна удовлетворять требованиям автоматизированного производства и, кроме того, обладать гибкостью, позволяющей без переналадки выполнять разнообразные технологические операции при изготовлени различных деталей. Для выполнения каждой операции (перехода) применяют инструментальные блоки, представляющие собой функциональную сборочную единицу в виде режущего и вспомогательного (зажимного) инструмента. Инструментальные блоки должны обеспечивать высокую точность позиционирования (установки) инструмента по отношению к базац станка, возможность регулирования размеров и автоматическую замену блоков. Решение данной задачи достигается применением системы вспомогательного инструмента для станков с ЧПУ. Применяемая в машиностроении система [20] вспомогательного инструмента имеет три подсистемы (рис. 4.9):
а) подсистему вспомогательного инструмента для станков с ЧПУ сверлильно- расточной и фрезерной групп;
б) подсистему вспомогательного инструмента с цилиндрическим хвостовиком для станков с ЧПУ токарной группы;
в) подсистему вспомогательного инструмента с базирующей призмой для станков с ЧПУ токарной группы.
Для снижения затрат на вспомогательный инструмент и для удобства эксплуатации важным условием эффективности подсистемы вспомогательного инструмента является его минимальное количество, обеспечивающее возможность закрепления максимально возможного числа инструментов различных типов и размеров. Важным фактором унификации инструментальной оснастки является принятие единых исполнений присоединительных поверхностей инструмента и станков.
Инструментальная оснастка станков с ЧПУ сверлильно-расточной и фрезерной групп. Инструментальные блоки собирают на базе подсистемы вспомогательного инструмента для станков сверлильно-расточной и фрезерной групп (рис. 4.9, а), которая позволяет применять любой требуемый инструмент. Хвостовики инструментов (поз. 1—15) выполняются по ГОСТ 25827—83 (рис. 4.10, а и табл. 4.1). Предусмотрена единая конструкция хвостовиков для станков как с автоматической .сменой, так и ручной сменой инструмента. Место захвата манипулятором представляет собой канавку трапецеидальной формы с углом 60°. Фрезеровка на фланце под углом 90° обеспечивает при автоматической замене расположение шпоночных пазов блока против шпонок шпинделя. Каждый вид вспомогательного инструмента имеет до 24 типоразмеров, отличающихся длиной I (см. рис. 4.9, а) и размерами посадочного места под режущий инструмент. Допускаемое биение посадочного места для инструмента или регулируемой . по длине оправки относительно хвостовика с конусностью 7:24 составляет 0,005—0,01 мм. Для станков классов точности Н и П установлена степень точности хвостовиков АТ5, для станков классов точности В и А—АТ4. Вспомогательный инструмент изготовляют из стали 18ХГТ с цементацией и закалкой до твердости 53—57 HRC3, что обеспечивает достаточную долговечность и отсутствие деформаций после термической обработки.
Унифицированы цилиндрические хвостовики и посадочные размеры отверстий для блоков, регулируемых по длине (см. рис. 4.9, а, поз. 9 и 16—25). Конструкция и размеры цилиндрических хвостовиков приведены на рис. 4.10, бив табл. 4.2. Посадочное отверстие в державке (поз. 9) выполняется по 6-му квалитету.
Для закрепления инструментов с цилиндрическим хвостовиком подсистемой предусмотрены цанговые патроны и оправки с диапазонами диаметров хвостовиков 3—25 мм и 20—40 м. Цанги имеют конусность 1:5, изготовляются из стали 60С2А с термообработкой до твердости 49—53 HRC3. На станках сверлильно-расточной и фрезерных групп применяются как стандартные конструкции инструментов, так и выполненные по отраслевым стандартам и отличающиеся от стандартных более точным изготовлением режущей и присоединительной части. Так, сверла спиральные с цилиндрическим хвостовиком диаметром 3—20 мм по ОСТ2 И20-1 — 80 для станков с ЧПУ отличаются от стандартных (ГОСТ 10902—77) уменьшенными допусками на симметричность сердцевины, осевое и радиальное биение режущих кромок. Хвостовики сверл выполнены цилиндрическими, без обратной конусности, что обеспечивает более надежное закрепление в цанговых патронах. Задняя поверхность выполняется либо двухплоскостной, либо винтовой. Обе эти формы задней поверхности обеспечивают снижение осевой силы на 15—20 %, увеличивают стойкость и надежность сверла, точность отверстий за счет уменьшения разбивки и точность координат центров отверстий.
Кроме инструментов традиционной конструкции и номенклатуры применяют инструменты, обладающие повышенными надежностью, точностью, регулируемые по размеру и комбинированные, обеспечивающие совмещение переходов, а следовательно, повышение эффективности оборудования. Примерами таких инструментов являются перовые сверла, более жесткие и прочные по сравнению со спиральными, обеспечивающие большую точность обработки и меньшую стоимость. При обработке коротких отверстий применяют верла, оснащенные многогранными пластинами, обладающие высокой надежностью, точностью и обеспечивающие высокую производительность. Конструкция сверл приведена в подразделе 2.4.
С целью сокращения номенклатуры инструмента применяются регулируемые 
по диаметру расточные головки (рис. 4.11, а) с диапазоном регулирования от 12 до 35 мм. Для обработки точных отверстий используют резцы-вставки с микрометрическим регулированием вылета, оснащенные припаянной или многогранной пластиной из твердого сплава (рис. 4.11, б). Конструкции вставок отличаются большим разнообразием. Конструкции комбинированных инструментов приведены на рис. 4.11, в.
Примеры инструментальных блоков [20], регулируемых по длине, даны на рис. 4.11, г — з. На рис. 4.11, г приведен блок с регулируемой оправкой для дисковых фрез диаметром 50—80 мм и шириной 5—16 мм, регулирование по длине 45 мм. На рис. 4.11, д и е показаны блоки для сверл с коническим и цилиндрическим хвостовиком, на рис. 4.11, ж—-регулируемая оправка, оснащенная резцом- вставкой с микрометрическим регулированием вылета. На рис. 4.11, з приведен регулируемый резьбонарезной патрон, предназначенный для нарезания резьбы метчиком в сквозных и глухих отверстиях. Патрон состоит из корпуса 4, сменного хвостовика 7, предохранительной шариковой муфты 5, выдвижного метчико- держателя 3, быстросменных вставок 2 для метчиков. Величина крутящего момента регулируется гайкой 6. Метчикодер- жатель возвращается в исходное положение после нарезания резьбы и выхода метчика из нарезанного отверстия с помощью пружины 8. Нарезание резьбы происходит путем самозатягивания метчика благодаря выдвижению метчикодержа- теля. Замена вставки 2 производится нажатием на втулку / до совмещения оси канавки втулки с осью шарика 9.
Для закрепления блоков в шпинделе станка в резьбовое отверстие конуса 7:24 вворачивается болт со специальной головкой, которую захватывает цанговый зажим (см. рис. 4.11, г).
Инструментальная оснастка станков с ЧПУ токарной группы. Для компоновки инструментальных блоков на станках с револьверной головкой и ручной сменой инструмента применяется подсистема вспомогательного инструмента с цилиндрическим хвостовиком и лыской, на которой имеются рифления (см. рис. 4.9, б). Базирование резцедержателя производится по цилиндру хвостовика, обеспечивающему точную угловую установку, и торцу. Крепление блока в револьверной головке производится с помощью клина, который имеет рифления, смещенные относительно рифлений хвостовика [20].
В подсистеме резцедержатели 1—9 позволяют крепить резцы сечением от 16Х Х16 до 40X40 мм. Для обработки наружных поверхностей используются резцедержатели 1, 2, 4, 7—9. Резцедержатели 3 и 5 могут быть использованы для креплений инструмента для обработки внутренних поверхностей. Все резцедержатели обеспечивают подвод СОЖ от револьверной головки к вершине резца. Переходная втулка 10 позволяет крепить режущий инструмент круглого сечения диаметром 16—40 мм. Для крепления инструмента с конусами Морзе предназначены жесткие 12 или плавающие 13 переходные втулкн. Нарезание резьб метчиком производится с использованием патронов для метчиков, конструкция которого аналогична приведенной на рис. 4.11, з.
Подсистема вспомогательного инструмента с базирующей призмой (см. рис. 4.9, в) используется также на станках, имеющих револьверную головку.
Подсистема обеспечивает высокую жесткость инструментальных блоков. Резцедержатель 1 с открытым н закрытым пазами предназначен для крепления резцов 16X16 до 40X40 мм. Резцедержатель двусторонний и может быть использован при любом положении револьверной головкн и любом направлении вращения 
шпинделя. Резцедержатель 2 с открытым перпендикулярным пазом позволяет вынести режущий инструмент за пределы габаритов револьверной головки, улучшая технологические возможности станка. Большой универсальностью обладают трехсторонние резцедержатели 5, которые позволяют крепить два инструмента. Держатели 6 предназначены для крепления инструмента с цилиндрическим хвостовиком диаметром 30—60 мм. Держатели 7 и 8 также предназначены для крепления инструментов с цилиндрическим хвостовиком.
Достоинством рассмотренных подсистем вспомогательного инструмента является возможность применения резцов, используемых на универсальных станках.
Номенклатура резцов, применяемая на станках с ЧПУ, приведена на рнс. 4.13, а. Настройка блоков (рис. 4.13, б) на размер осуществляется на приборах БВ-2011 с установкой вершины резца с точностью до 0,01 мм в перекрестии окуляра микроскопа.
На некоторых типах станков применяют резцовые вставки с регулировочными винтами (рис. 4.13, в) и креплением их в ре вольверных головках клиновидными сухарями.
Инструментальная оснастка ГПС. Гибкие производственные системы представляют собой совокупность технологического оборудования и систем обеспечения ее работы в автоматическом режиме при изготовлении изделий произвольной номенклатуры. Развитие ГПС происходит в направлении создания безлюдной технологии, обеспечивающей работу оборудования в течение заданного времени без участия оператора. Для этого оборудование оснащается системами контроля за работой станков, состоянием инструмента, точностью деталей и т. д., что значительно увеличивает его стоимость; необходимость интенсификации режимов резания приводит к резкому сокращению стойкости инструмента и увеличения его расхода, поэтому оборудование должно
оснащаться инструментальными магазинами большой емкости. В магазине устанавливаются необходимая номенклатура инструмента и инструменты-дублеры в количествах, обеспечивающих непрерывную работу в течение заданного времени. Для магазинов большой емкости требуется малогабаритная инструментальная оснастка.
В то же время оборудование должно оснащаться системами диагностики, гарантирующими отсутствие ошибок в применении инструмента, сигнализирующими о предельном износе и поломках инструмента, его фактических размерах с целью 1 автоматического корректирования управляющих программ и т. д. Инструменто-беспечение ГПС является сложной задачей, решение которой обеспечивает непрерывную работу оборудования. На рис. 4.14 приведена укрупненная структура инструментообеспечения ГПО (без связей с управляюще-вычислительным комплексом), дающая представление о ее содержании и функциях. Структура имеет пять подсистем.
Первая подсистема (рис. 4.14, а) предусматривает проведение методами САПР работ по выбору или проектированию режущего (РИ) и вспомогательного (ВИ) инструмента, его кодирование и размещение в автоматизированном складе РИ и ВИ. Конструкции инструментов для станков ГПС сверлильно-расточной и фрезерной групп аналогичны ранее рассмотренным для станков с ЧПУ, однако для расточки отверстий по 7-му квалитету применяются специальные блоки с автоматическим регулированием размеров. Пример конструкции такого блока [46] фирмы «De Vlieg» (США) приведен на рис. 4.15.
Хвостовик 1 блока имеет фланец для захвата его манипулятором. При срабатывании ползуна 2 (ход ползуна 3—5 мм) фиксатором 3 через шестерню дифференциального ходового винта 5 осуществляется его поворот на некоторый угол. Незначительная разница в шагах резьбы на обеих сторонах ходового винта способствует тому, что при повороте винта гайки 4 и 7 перемещаются относительно друг друга на некоторое расстояние в осевом направлении. Гайка 4 опирается через установочный винт 8 на пластину 9 гибкого шарнира. Эта пластина и пластина б соединены с инструментоносителем 10 без зазора посредством рифлений. Вместе они образуют параллелограмм, который при осевом перемещении гайки 4 деформирует пластины 6 и 9 и параллельно ния компактных инттрументальных магазинов большой вместимости. Указанных смещает инструментоноситель 10. Расточный инструмент, привинченный к фланцу инструментоносителя, перемещается параллельно оси. Каждый ход толкателя вызывает параллельное смещение оси инструментоносителя на 0,0025 мм, что соответствует изменению диаметра на 0,005 мм. Максимальное число (50) ходов вызывает общее перемещение на 0,125 мм, или на 0,25 мм по диаметру. Инструмент перемещается только в направлении увеличения диаметра. Установка в исходное положение осуществляется вручную после окончания процесса обработки. Для этой цели приподнимают фиксатор и поворачивают ходовой винт до упора.
Параллельное смещение гарантирует одинаковое перемещение режущей кромки расточной оправки любой длины, что является преимуществом по сравнению с регулировочными устройствами, у которых расточные оправки поворачиваются на некоторый угол. Ползун 2 можно приводить в действие, используя перемещение детали или с помощью стандартного упора. Команду на регулирование получают от датчика касания (см. рис. 4.8, а), который измеряет диаметр отверстия.
Подсистемы вспомогательного инструмента с цилиндрическим хвостовиком и базирующей призмой (см. рис. 4.9, б, в) нельзя использовать на токарных станках ГПС из-за их громоздкости и необходимости настройки на размер с большими затратами ручного труда. Подсистемы не обеспечивают возможности создания компактных инструментальных магазинов большой вместимости. Указанных недостатков не имеют инструментальные системы для токарных станков, построенные по модульному принципу. В этих системах стандартная державка, в которой крепится требуемая инструментальная головка, постоянно закреплена на револьверной головке станка. При автоматической замене или установке инструментальных головок используется манипулятор. Закрепление инструментальных головок производится либо тягами, либо в цанговом зажиме.
На рис. 4.16, а приведена инструментальная система [26] фирмы «Krupp Wi- dia» (ФРГ), отличающаяся компактностью инструментальных головок 1, которые крепятся на державках 2 с помощью тяги 5 через штифты 3. Фиксация инструментальных головок осуществляется шпонками 4. Базирование головок происходит по отверстию и торцу. Пазы под многогранные пластины выполнены с точностью до 0,01 мм. Используются пластины классов допусков А или F. Предварительная настройка на размер вне станка не требуется.
На рис. 4.16, б представлена инструментальная система фирмы «Hertel» (ФРГ). Инструментальные головки крепятся с помощью цанги, а крутящий момент воспринимается торцовыми зубьями на головке и державке.
Конструкции инструментальной системы фирмы «Sandvix Coromant» (Швеция) приведена на рис. 4.16, в.
Вторая подсистема (рис. 4.16, б) предусматривает проведение работ по автоматизированной или ручной сборке инструмента, инструментальных блоков и комплектование инструментальных магазинов. Конструкции инструментов с креплением многогранных пластин подпружиненными элементами (например, см. рис. 2.8, к) позволяют производить сборку с помощью манипуляторов. Устройства диагностики для распознавания типа, размеров инструмента и состояния режущих кромок предусматривают применение специальных датчиков касания перемещающихся по контуру или режущим кромкам инструмента. 314
Существует много способов кодирования инструмента и устройств для их считывания.
В случае кодирования с помощью кодировочных винтов на державке режущего инструмента выполняются две плоскости, на каждой из которых имеются 9 отверстий для размещения кодировочных винтов. Так как каждая плоскость имеет 8+1 резьбовых отверстий, то в двоично-десятичном коде (информация типа «да» или «нет») можно закодировать четыре десятичных разряда, а именно числа от 0 до 9999.
При кодировании с помощью концентрических колец порядковое число режущего инструмента определяется с помощью аксиально насаженных концентрических колец двух различных диаметров, размещенных на державке режущего инструмента. С помощью таких колец можно закодировать четыре десятичных разряда, т. е. числа от 0 до 9999.
С помощью описанных выше систем кодирования нельзя закодировать режущий инструмент числом более 10 000, так как в этом случае увеличивается площадь для расположения кодировочных элементов. Разработаны новые методы кодирования, основанные на физических законах: магнитные системы кодирования; оптические; высокочастотные электронные.
Первые две системы кодирования не нашли широкого применения из-за органических недостатков, присущих каждой системе. Так, в магнитных системах кодирования носители информации режущего инструмента расположены на конусе режущего инструмента в зоне пазов. Для считывания информации должны быть использованы так называемые генераторы Холла. Особенность генераторов Холла в том, что они могут надежно считывать информацию только в том случае, если располагаются от носителей на расстоянии не более 0,01 мм. Очевидно, что их использование практически нереализуемо по причинам, обусловленным допусками.
Оптическая система кодирования основана на использовании так называемых БАР-кодов и содержит серию параллельных темных рисок, выполненных на светлом основании. Считывание информации осуществляется лучом света по методу отражения. Однако при смачивании СОЖ или маслом светлого пространства область спектра сдвигается и система работает неуверенно.
Высокочастотная электронная система кодирования содержит две станции: передающую и приемную. Передающая стан
ция выполнена на высокоинтегральных схемах и вмонтирована в корпус державки. Ее габариты 20X15 мм. Она не имеет своего источника питания. Если разместить такую станцию (катушку) около индукционной катушки, то в ней возникают мини-токи. Схема становится активной и посылает определенные импульсные сигналы.
Приемная станция оборудована компьютером, который воспринимает полученную информацию и может передать ее на центральный пункт переработки информации.
Кодировочная матрица имеет форму «8x8 бит». Это соответствует объему информации, равному максимум 264.
Система работает одновременно на перенос энергии и передачу информации за счет использования разных частот: перенос информации осуществляется на частотах нескольких десятков мегагерц, а перенос энергии — на частотах нескольких сотен килогерц.
С помощью такой системы возможно закодировать режущий инструмент на крупных ГПС, содержащих до 100 ООО или даже до 1 ООО ООО режущих инструментов.
Для кодирования на нижней поверхности инструментальной головки наносится элемент магнитной памяти в виде 17 цифр. Кодируют материал режущей части, геометрические параметры режущей части, размер и геометрию инструментальной головки, ее номер. Схема считывания кода грейфером приведена на рис. 4.17.
На станках с ЧПУ применяют накопители инструментов и инструментальные магазины, представленные на рис. 4.18. Револьверные головки (рис. 4.18, а, д) применяются на токарных станках. Их недостаток — небольшая вместимость, поэтому станки снабжаются цилиндрическими магазинами большой вместимости (рис. 4.18, г), из которых инструментальная головка с помощью манипулятора может быть установлена в револьверную головку. Цилиндрические магазины могут иметь до 120 инструментов, их используют так же, как накопители инструментов, в непосредственной близости от станка.
Дисковые и цепные магазины (рис. 4.18, б, е) используют на станках сверлильно- расточной и фрезерной групп, они могут иметь 60—120 инструментов, причем отдельно стоящие дисковые магазины используют как накопители инструментов.
Инструментальный блок, который может занимать любое место в магазине, снабжен индивидуальным кодом, а специальное устройство осуществляет поиск и дает информацию о его расположении.
Третья подсистема (см. рис. 4.14, е) предусматривает перемещение магазинов типа цилиндрических из склада и установку их на станках с диагностикой правильности установки.
Четвертая подсистема (см. рис. 4.14, г) предусматривает диагностику инструмента
в процессе его работы. Для этого станки должны оснащаться датчиками контроля размеров детали, тензодатчиками на шпинделе станка или пьезоэлектрическими динамометрами на револьверных головках для информации о состоянии режущей кромки инструмента. Информация о характере стружки может быть получена от инфракрасных датчиков, распознающих вид стружки по рассеиванию ее теплового излучения.
Пятая подсистема представляет собой участок заточки и восстановления инструмента.
Основное направление развития системы инструментообеспечения ГПС — максимальная автоматизация работ с целью обеспечения безлюдной технологии.