Методы комплектования и замены режущего инструмента на деревообрабатывающих центрах с ЧПУ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.21.05, кандидат технических наук Фомин, Алексей Александрович

• Фомин, Алексей Александрович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Фомин, Алексей Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Современные виды и перспектива развития обрабатывающих центров в деревообрабатывающей промышленности.

1.1.1 Классификация, технические характеристики и конструкции обрабатывающих центров.

1.2 Обзор дереворежущего инструмента, применяемого на обрабатывающих центрах.

1.2.1 Классификация, технические характеристики и конструкция дереворежущего инструмента, применяемого на обрабатывающих центрах

1.3 Обзор работ, выполненных в области износа дереворежущего инструмента и повышения его износостойкости.

1.4 Методы, применяемые в системах управления обрабатывающими центрами для программной смены инструмента.

1.5 Выбор объекта исследования. Цель и задачи исследования.

1.6 Выводы.

2 ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАБОТЫ С РЕЖУЩИМ ИНСТРУМЕНТОМ НА ДОЦ.

2.1 Концепция эксплуатации инструментов в процессе длительного функционирования обрабатывающего центра.

2.2 Метод создания необходимого соотношения единиц инструментального парка обрабатывающего центра по критерию равномерного использования ресурса инструмента.

2.3. Оптимизационный метод формирования инструментального парка ДОЦ по критерию равномерного использования ресурса инструментов.

2.4 Реализация концепции эксплуатации инструментов в процессе длительного функционирования обрабатывающего центра.

2.5. Выводы.

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

3.1 Экспериментальная установка.

3.2 Система измерения.

3.3.Постоянные факторы эксперимента.

3.4.Переменные факторы эксперимента.

3.5.0ценочные показатели.

3.6.Планирование эксперимента.

3.7 Выводы.

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА.

4.1 Зависимость вибрации узлов и деталей станка от остроты инструмента при изменении частот вращения шпинделя станка в заданном диапазоне.

4.2 Зависимость вибрации узлов и деталей станка от остроты инструмента при изменении значения подачи по оси X станка в заданном диапазоне при выполнении пазования.

4.3. Зависимость вибрации узлов станка от остроты инструмента при изменении значения подачи по оси X станка в заданном диапазоне при выполнении торцевания.

4.4 Выводы, обобщение результатов экспериментального исследования . 104 5 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОЙ СИСТЕМЫ МОДИФИКАЦИИ КОДА

УПРАВЛЯЮЩИХ ПРОГРАММ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы комплектования и замены режущего инструмента на деревообрабатывающих центрах с ЧПУ»

Одной из отличительных черт современной деревообработки является широкое использование систем с ЧПУ. Применение станков с ЧПУ взамен универсального оборудования имеет существенные преимущества, в частности следующие: происходит значительное сокращение сроков подготовки производства, происходит также значительное сокращение общей продолжительности цикла изготовления продукции, экономия средств на проектирование и изготовление технологической оснастки, повышение производительности труда за счет сокращения вспомогательного и основного времени обработки на станке.

Из всего многообразия станков с ЧПУ выделим многооперационные станки с ЧПУ, так называемые обрабатывающие центры. Под обрабатывающим центром в мебельной промышленности понимают станок, в котором за одну установку заготовки без перенастройки станка осуществляются различные технологические операции ее обработки, например, пиление, фрезерование, сверление по пласти и кромке и т.п., с целыо достижения максимальной готовности детали.

Выбор обрабатывающего центра для фрезерования рельефных деталей (заготовок) фасадов определяется в первую очередь требуемой его производительностью. Так, если обрабатывается дверь фасада кухни из MDF размером 400x700 мм, требующая при обработке двух проходов фрезерного инструмента - одного по контуру и одного для фрезерования замкнутого фигурного паза на пласти, - время обработки составит около 1 мин. Если дизайн изделия требует третьего прохода с целыо заострения углов в местах перегиба фигурного паза на пласти, потребуется дополнительное время на замену инструмента (около 10 секунд) и собственно дополнительный проход (около 30 секунд).

Таким образом, общее время обработки составит уже 1 мин 40 секунд. При этом существуют фасады, дизайн которых требует до 8 проходов, время обработки которых одним фрезерным шпинделем достигает 4,5 мин. Если одношпипдельный центр использовать, например, для работы в паре с объемным (мембранным, безмембранным) прессом, производительность которого 6-8 деталей за три минуты, то пресс стоимостью 150-200 тыс. долларов США будет загружен не более чем на 20

30 %. При обработке массивной древесины цикл обработки еще выше из-за необходимости снижения скорости подачи в зонах фрезерования против волокон -для исключения образования сколов. Поэтому применение одношпиндельных фрезерных обрабатывающих центров оправдано только в производствах с относительно небольшой мощностью.

Для серийного производства, например при облицовывании рельефных деталей пленками или отделке эмалями, более целесообразным оказывается использование многошпиндельных фрезерных обрабатывающих центров, оснащенных несколькими магазинами для замены инструмента одновременно на каждом шпинделе. Цена такого центра естественно выше, чем цена одношпиндельного, но более высокие затраты оправдываются за счет исключения убытков от простоя другого оборудования или оказываются значительно ниже в сравнении с ценой нескольких одношпиндельных станков. Когда в мебельном производстве необходимо просверлить присадочные отверстия в боковой стенке шкафа, то ее обработка будет длиться не более 4-6 секунд, а на обрабатывающем центре - 2-3 минуты. Если на проходном присадочном станке минут за пятнадцать можно просверлить сотню деталей, то на центре это проблема, однако если одинаковых, просверливаемых деталей всего две, а настройка проходного присадочного станка занимает 20-40 минут, ситуация резко меняется в пользу обрабатывающего центра, который последовательно будет просверливать и фрезеровать детали самых разных размеров, сам выбирая инструмент и карту присадки. Если применяемый на производстве присадочный станок не имеет достаточного количества суппортов для одновременного просверливания всех отверстий, и потребуется второй проход, точность обработки деталей е применением ОЦ оказывается на порядок выше. В условиях сегодняшнего рынка, когда поставка изделий производится по большей части небольшими партиями, в разобранном виде, использование обрабатывающих центров в производстве мебели оказывается необходимым для любого предприятия.

Однако, эффективное использование многооперационных обрабатывающих центров, ставит и ряд проблемных вопросов, решение которых позволит увеличить производительность этого оборудования. Одним из них, связанным с большим количеством разнообразного режущего инструмента, является неравномерность износа последнего.

Данная проблема имеет два аспекта:

1. Неравномерный износ режущей кромки отдельно взятого инструмента;

2. Неравномерный износ различных инструментов . в магазине обрабатывающего центра.

Неравномерный износ режущей кромки инструмента ведет к быстрому снижению режущих свойств инструмента, ухудшению качества обрабатываемой поверхности, к более раннему выходу из строя инструмента, снижению его рабочего ресурса, снижению числа его возможных переточек, а так же такая ситуация часто приводит к значительному увеличению сил резания, что в отдельных случаях ведет к поломке инструмента.

Неравномерный износ парка инструмента инструментального магазина станка приводит к необходимости частой остановки оборудования для проведения осмотра инструмента на предмет износа, а также замены отдельных инструментов и их выставке. При этом ситуация наличия в магазине станка изношенных в разной степени инструментов отрицательно влияет па станок в целом - повышаются вибрации, качество обработки изделий снижается. Пути решения этой проблемы лежат в плоскостях изменения технологических процессов при работе режущих инструментов с учетом взаимодействия различных факторов, анализа и определения зависимостей параметров и режимов работы режущих инструментов, решения проблем повышения стойкости - поиск ее статистических характеристик, оценки надежности инструмента, оптимизации технологических процессов изготовления инструментов, оценки обрабатываемости материалов резанием и т.п. Проблему условно можно разделить на две составляющие:

1) Поиск методов производства и эксплуатации инструмента при которых износ режущей кромки дереворежущего инструмента равномерен по всей ее рабочей длине.

2) Поиск методов эксплуатации комплекта разного по стойкости инструмента, установленного в магазине и суппорте станка, при которых исключена возможность обработки изделий изношенным инструментом.

Способы решения вышеназванных проблем могут быть разными. Широко известны в наше время различные пути повышения равномерности износа режущей кромки за счет прочности и износостойкости режущих инструментов, корректировка кинематики процесса резания (использования прерывистых подач и наложения колебаний), изменения физико-механических свойств режущего инструмента, оптимизации режимов резания т.д.

В данной диссертации поставлена другая цель: разработать такие методы работы с обрабатывающим центром, которые позволят учитывать текущий износ каждого инструмента и проводить его замену на равноценный при наступлении предельного состояния по износу. Невозможно оценить и прогнозировать момент наступления одновременного предельного износа для различных инструментов, видов и материалов обработки. Разумно ориентироваться на одновременное достижение предельного состояния по пути резания. Это позволит в далнейшем получить данные для динамической коррекции управляющей программы центра во время ее выполнения с целью упорядочения и прогнозирования износа режущего инструмента, добиться постоянства сил резания, тем самым исключая переходные режимы работы шпиндельного узла - добиться его динамического равновесия, не допуская резонансных колебаний компонентов СПИЗ, обеспечивая постоянство качества обработки и предотвращая чрезмерный износ узлов станка и режущего инструмента. Последнее чрезвычайно важно, если учесть, что на обрабатывающих центрах применяется дорогостоящий режущий инструмент и своевременная его замена продлит жизнь инструмента и сэкономит значительные средства на его заточку.

Цель работы: разработать алгоритм контроля и мониторинга процесса износа режущих инструментов на деревообрабатывающем центре с ЧПУ и подтвердить работоспособность алгоритма созданием программной системы модификации управляющих программ по предупреждению использования изношенных инструментов при обработке на деревообрабатывающих центрах.

Для реализации данной цели были проведены теоретические' исследования, создана экспериментальная установка, проведены опыты и обработаны полученные данные. В результате на защиту выносятся следующие новые научные положения:

1) Теоретический метод формирования инструментального парка деревообрабатывающего центра (ДОЦ) с ЧПУ;

2) Метод мониторинга текущего износа режущего инструмента ДОЦ;

3) Алгоритм одновременной смены инструмента ДОЦ на базе информации о его фактическом пути резания.

Заключение диссертации по теме «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки», Фомин, Алексей Александрович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1) При решении задач автоматизации производства мебели, отечественная промышленность в последние годы все больше ориентируется на оснащение производств оборудованием с числовым программным управлением, в том числе деревообрабатывающими центрами (ДОЦ). Отечественный и зарубежный опыт их внедрения в производство подтвердил эффективность их использования наравне с другими видами оборудования при единичном, мелкосерийном и среднесерийном производствах, поэтому исследование различных проблем, связанных с эксплуатацией этого оборудования является важным и актуальным.

2) Наравне с преимуществами многооперационных обрабатывающих центров имеется ряд проблемных вопросов, решение которых позволит увеличить эффективность этого оборудования. Одним из них, связанным с большим количеством разнообразного режущего инструмента, является неравномерность износа последнего. Данная проблема имеет два аспекта: неравномерный износ режущей кромки отдельно взятого инструмента; неравномерный износ различных инструментов в магазине обрабатывающего центра.

3) Проведенные в работе исследования доказали наличие влияния износа даже небольших инструментов на работу ДОЦ с ЧПУ. Сравнение полиномиальных трендов второй степени, построенных по результатам исследований, показало увеличение показателей вибрации станины станка при обработке тупым инструментом по сравнению с обработкой острым инструментом, не отработавшим полностью свой нормативный период стойкости при прочих равных условиях. Установлена необходимость дальнейшего исследования зависимостей вибрации узлов ДОЦ от различных факторов обработки.

4) Для создания условий работы только неизношенными режущими инструментами на ДОЦ предложена концепция эксплуатации инструментов в процессе длительно функционирования ДОЦ, предполагающая установку в УЧПУ ДОЦ дополнительного программного обеспечения, контролирующего путь резания режущего инструмента и при превышении норматива износа, меняющего инструмент в тексте управляющей программы на аналогичный.

5) Для обеспечения эффективности вышеописанной концепции предложен теоретический метод создания необходимого соотношения единиц инструмента магазина и суппорта ДОЦ по критерию повышения стойкости инструментального парка станка. Побочным эффектом использования данного метода при комплектовании магазина ОЦ на данном производстве с большой вероятностью будет такая ситуация, что когда возникнет необходимость перестановки хотя бы одного инструмента (изношена вся его технологическая группа) все остальные инструменты станка уже будут также изношены подлежать смене.

6) Для иллюстрации работы концепции эксплуатации инструментов в процессе длительного функционирования ДОЦ на языке Delphi была составлена и апробирована программная система, реализующая этот принцип. Система может работать в двух режимах - сбора статистической информации и модификации управляющих программ. Программа была установлена в УЧПУ и подтвердила возможность программного расчета ресурса режущего инструмента по тексту управляющей программы используя данные нормативной стойкости инструмента в единицах длины резания.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Фомин, Алексей Александрович, 2004 год

1. Бобров В.А. Справочник по деревообработке / Серия «Справочники» -Ростов н/Д: «Феникс», 2003г., 320с.

2. K.J.Susnjara Three dimensional Trimming and Machining. The five axis CNC router. First edition. Thermwood Corporation. Dale. Indiana, 1999

3. Гжиров P. И., Серебреницкий П. П. Программирование обработки на станках с ЧПУ: Справочник.-Л: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1990.-588 е.: ил. .

4. Байков В.М., Кацев ИГ. Испытания режущего инструмента на стойкость. -М: Машиностроение, 1985. -136 е., ил.

5. Кацев П. Г. Статистические методы исследования режущего инструмента. Изд. 2-е перераб. и доп. М., "Машиностроение", 1974.231 с. с ил.

6. Шарин Ю. С. Подготовка программы дан станков с ЧПУ. М.: Машиностроение, 1980, (Б-чка станочника). 144 е., ил

7. Шарин Ю. С. Технологическое обеспечение станков с ЧПУ. М.: Машиностроение, 1986. -176 с. ил.

8. Байков В. Д., Вашкевнч С. Н. Решение траекторных задач в микропроцессорных системах ЧПУ / Под ред. В.Б. Смолова. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1986. • 106 е., ил.

9. Лоладзе Т.Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента. -М.: Машиностроение, 1982. 320 е., ил.

10. Усачев П. А., Пархоменко В. П. Повышение износостойкости и прочности режущих инструментов.- К. :Техшка, 1981 .-160 е., ил.- Библиогр.; с. 157-158. В пер.:

11. Молчанов Г. Н. Повышение эффективности обработки на станках с ЧПУ. М.: Машиностроение, 1979. - 204 е., ил. - (Б-ка технолога).

12. J.M. Foster Automatic syntactic analysis. Computer monographs general editor. Stanley gill associate editor : J.J. Florentin. Macdonald London and American Elsevier inc. New York 1970.

13. Адеишвили О.Г. Оптимизация процесса пиления цементно-стружечных плит: Дисс.канд.техн.наук.-М., 198.-248 с.

14. Антонов В.Ф. Повышение стойкости дереворежущих пил путем применения сверхтвердых материалов на основе плотных модификаций кубического нитрида бора: Автореф.дисс.канд.техн.наук.-Л., 1986.-21с.

15. Берштадский A.J1. Резание древесины.-М.-Л.-:Гослесбумиздат,1956.360с.

16. Воскресенский С.А. Резание древесины.-М.:Гослесбумиздат,1955.200с.

17. Грановский Г.И. Фрезерование металлов.-М.:Высшая школа, 1985.304с.

18. Грубее А.Э. Дереворежущий инструмент.-М.: Лесная промышленность, 1971.-344с.

19. Даниеляп. Л.М. Резание металлов и инструмент.-М.: Машгиз,1950.452с.

20. Демьяновский К.И. Износостойкость инструмента при фрезеровании древесины.-М.:Лесная промышленность, 1968.-127с.

21. Жилин В.А. Субатомный механизм износа режущего инструмента. Ростов, изд.Ростовского ун-та, 1973.-165с.

22. Зашмарин В.А. Повышение работоспособности дисковых пил с пластинками твердого сплава при раскрое плитных материалов: Дисс.канд.техн.наук.-М.,190.-245с.

23. Зорев Н.Н. Вопросы механики процесса резания.-М.:Машгиз,1956.368 с.

24. Ивановский Е.Г., Василевская И.В., Лаутнер Э.М. Новые исследования резания древесины.-М.-Лесная промышленность, 1972.

25. Ивановский Е.Г. Резание древесины.-М.: Лесная промышленность, 1974.-200с.

26. Колев. Н.С. Теоретическое и экспериментальное исследование изнашивания трердых сплавов.-Ростов н/Д, 1973.-165с.

27. Костецкий Б.И. Фундаментальные закономерности трения и износа.-Киев: Знание,1981.-32с.

28. КоняшкинВ.И. Фрезерование древестностружечных плит и древесины с применением ножей с поверхностным покрытием из нитрида титана: Автореф.дисс.канд.техн.наук.-М., 1990 .-17с.

29. Крагельский И.В. Трение и износ.-М.:Машиностроение, 1968.-480с.

30. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчетов на трение и износ.-М.:Машиностроение,1977.-526с.

31. Клушин М.И. Резание металлов.-М.Машгиз,1958.454с.

32. Курис И.М. Исследование износостойкости твердосплавного инструмента при фрезеровании древесных материалов. Автореф.дисс.канд.техн.наук.-М.:1967.-21с.

33. Лоладзе Т.Н. Износ режущего инструмента. М.:Машгиз,1958.-356с.

34. Лоладзе Т.Н. Прочность и износостойкость режущего мнструмента.-М.:Машиностроение, 1980.-320с.

35. Макаров А.Д. Износ и стойкость режущих инструментов.-М.:Машиностроение,1966.-264с.

36. Макаров А.Д. Оптимизация процессов резания.-М.'Машиностроение, 1976,-278с.

37. Моисеев. А.В. износостойкость дереворежущего инструмента.-М. Лестная промышленнсть, 1981.-112с.

38. Моисеев А.В. Контактные явления в микрообласти лезвия при резании древесины и их влияние на природу затупления: Дисс.канд.техн.наук.-М.:1981.-315с.

39. Памфилов Е.А., Петренко Н.А. К вопросу о механизме изнашивания режущего инструмента//Изв.вузов.Лесн журн.-1978.-№3.-с.148-150.

40. Полетика М.Ф. Контактные нагрузки на режущих поверхностях инструмента.-М. Машиностроение, 1969.-150с.

41. Развитие науки о резании металлов. Бобров В.Ф., Грановский Г.И., Зорев Н.Н., Исаев А.И. КлушинМ.И. и др. М.Машиностроение, 1967.-415с.

42. Резников А.Н. Теплофизика резания.-М.:Машиностроение, 1969.288с.

43. Силин С.С. Метод подобия при резании материалов.-М.Машинстроеиие. 1979.-152с.

44. Талантов Н.Ф. Основы процесса резания, изнашивания и разрушения инструмента.- М.Машиностроение, 1992.-240с.

45. Талантов Н.Ф., Дудкин М.Е., Лошак М.Г. Исследование режущих свойств термоупрочненных твердых сплавов // Прогрессивная технология процесса изготовления режущего инструмента.-М.:1978.-с.7-11.

46. Тихомирова Г.А. Влияние характера стружкообразования на стойкость инструмента при фрезеровании пластифицированной древесины (лигнамона): Дисс.канд.техн наук.-М.: 1984.-215с.

47. Хрущов М.М., Бабичев М.А. Абразивное изнашивание.-М.: Наука, 1970.-252С.

48. Хрущов М.М. Бабичев М.А. Исследование влияния твердости абразивных частиц на изнашивание материалов // Износ и антифрикционные свойства материалов.-М.: Наука, 1974.-С.48-65.

49. Цуканов Ю.А. Амалицкий В.В. Обработка резанием древестиостружечных плит.-М.:Лесная промышленность, 1966.-95с.

50. Зотов Г.А., Памфилов Е.А. Повышение стойкости дереворежущего инструмента.-М.: Экология, 1991.-304с.

51. Абразумов В.В. Материалы фрезерных инструментов для обработки древестно-стружечных плит: Дисс.канд.техн.наук.-М., 1990.

52. Обрабатывающий центр Rover 22 оснащен следующими видами инструмента: сверла фирмы Leuco , 05.J5 ; концевые фрезы фирмы Leuco , 06.50 ; круглая пила твердосплавная фирмы Leuco t 0 {11,2.

53. Станок Rover 22, с установленной программой эксплуатировался в обычном производственном режиме в феврале и марте 2004 года. За два месяца работы получены следующие практические результаты:

54. Зафиксировано снижение брака при обработке на 3,8% за счет своевременно прогнозируемых замен инструментов.

55. Отмечено уменьшение на 7,3% затрат времени на смену инструмента за счет замен комплекта инструмента целиком.

56. Представители ЗАО «ДОК-17»:1. Главный инженер

57. Зам директора по производству1. Представители МГУЛ:1. Курдюков И.В.1. Шашков А.В.

58. Завкафедрой станков и инструментов, д.т.н., профессор Научный руководитель Фомина А.А., доцент каф. станков и инструментов, д.т.н., профессор

59. Аспирант кафедры станков и инструментов1. Амалицкий В.В.1. Амалицкий Вит.В.1. Фомин А.А.