Направления дальнейшего развития инструментального производства

Основные направления развития инструментального производства лежат в сфе­рах деятельности, связанных с процессом проектирования новейших конструкций инструмента системой выбора инструмента для заданного технологического про­цесса, с качественным выбором технологического процесса изготовления инстру­мента, оптимальными условиями эксплуатации. Можно выделить следующие ос­новные направления:

1. Повышение требований точности формообразующих и вспомогательных инст­рументов. Необходимы пересмотр сложившейся нормативной документации на точ­ность инструментальной оснастки, по которой конструктор назначает параметры точности при проектировании, а также повышение точности изготовления инстру­ментов, что требует совершенствования инструментальной технологии, применения нового высокоточного современного оборудования и средств контроля. Для этого не­обходимо создание многоуровневой интегрированной системы управления, обеспе­чивающей организацию эффективного и высококачественного производства на всех уровнях, начиная от проектирования и до эксплуатации и утилизации инструмен­тальной оснастки.

2. Повышение требований к стойкости режущих инструментов в условиях высо­коскоростной обработки при повышении скорости резания лезвийными инструмен­тами до 30 м/с, шлифовальными - до 150 м/с. Это требует применения новых инст­рументальных материалов, таких как особомелкодисперсные и легированные твёр­дые сплавы, сложнолегированные и порошковые быстрорежущие стали высокой теплостойкости, карбидостали, сверхтвердые материалы. Повышение стойкости в значительной степени обеспечивают износостойкие покрытия рабочей части инст­рументов и режущих пластин к ним.

3.Создание новых конструкций режущего и вспомогательного инструмента для высокоскоростной обработки. Такие инструменты должны иметь биение режущих кромок не более 0,010...0,003 мм, балансировочные устройства для минимизации вибраций, новые способы крепления (например, термозажимные устройства), новые высокопрочные и виброустойчивые материалы для исполнения корпусных частей режущих инструментов и вспомогательных инструментов. Перспективными и высо­коэффективными технологическими процессами обработки материалов являются высокоскоростная обработка изделий из металла и хрупких материалов твердос­плавными инструментами и инструментами из естественных и искусственных алма­зов, в том числе планетарная обработка резьбовых ступенчатых отверстий комбини­рованным твердосплавным инструментом, обработка штампов и пресс-форм, свер­ление отверстий алмазными сверлами в хрупких материалах; виброэжекторное свер­ление глубоких отверстий, прерывистых отверстий с пересекающимися осями, на­клонных отверстий без предварительного засверливания одно- и двухкромочными сверлами, оснащенными твердым сплавом и т.д.

4.Развитие конструкций сборных инструментов со сменными многогранными пластинами из твердых сплавов, в том числе таких инструментов, как сверла, зенке­ра, развертки. Для этого необходимы разработка новых конструкций режущих и опорных пластин, повышение их точности изготовления, снижение шероховатости поверхностей лезвий, создание новых способов крепления пластин, выработка но­вых рекомендаций по их геометрии и повышение их изгибной прочности. В качест­ве примера можно привести твердосплавные пластины со специальной формой передней поверхности, обеспечивающей процесс стружколомания с учетом материала детали, вида обработки, режимов резания.

5.Создание новых конструкций шлифовальных инструментов, таких как шлифовальные круги с ориентированным расположением режущих зёрен, высоколегиро­ванные круги, круги с режущими зёрнами из новых сверхтвердых материалов и син­тетических алмазов. Разработка и применение новых связок, повышающих проч­ность и стойкость круга. Необходимо также повышение требований к точности и не­уравновешенности кругов, способных обеспечивать высокоскоростную обработку.

6.Оснащение технологий, основанных на нетрадиционных методах обработки, новыми инструментами и устройствами. К таким методам можно отнести ультразву­ковую обработку материалов, в том числе сверление, точение, упрочняющую обра­ботку на станках с ЧПУ; скоростное точение сталей и сплавов высокой твердости (HRC 70), в том числе с наложением вибраций от гидросуппорта и ультразвуковой головки; окончательную (финишную) обработку вместо шлифования лезвийным ин­струментом, оснащенным твердым сплавом, монокристаллическим алмазом естественным и искусственным; виброфрезерование; виброточение; виброабразивную об­работку; виброупрочняющую обработку с применением вибросуппорта и ультразву­ковой головки; высокоскоростное лазерное резание листового материала толщиной до 3 мм (до 30 м/мин); точную лазерную резку стальных заготовок толщиной до 25 мм; лазерное сверление отверстий диаметром до 0,2 мм; лазерную сварку.

7.Развитие систем автоматизированного проектирования инструментов (САПР-И) на базе современных ЭВМ и графических систем с разработкой моделирования про­ектируемых объектов в виртуальном режиме, что позволяет обеспечивать наглядность процесса проектирования, добиваясь оптимизации конструкции, высокой точ­ности профилирования. Для этого используют такие системы, как твердотельное мо­делирование, геометро-кинематический метод для обкатки инструментов, метод сов­мещенных сечений для резьбообрабатывающих инструментов и при обработке вин­товых канавок с постоянным или переменным шагом и т.д.

На этой стадии должны решаться три задачи:

1.Должны измениться чертежи режущих инструментов. В них (или в дополнение к ним) необходимо указывать данные для составления управляющих программ для многокоординатных заточных станков с ЧПУ. В эти данные необходимо включать ко­ординаты так называемых исходных сечений инструментов, параметры установки инструментов второго порядка и их профили. Если обрабатываются сложные винто­вые поверхности, например переменного шага, то необходимо указывать закономер­ности изменения параметров установки относительно исходного сечения. Другими словами, чертеж все более должен заменяться математической моделью инструмента.

2.Разрабатываемые модели, позволяющие в виртуальном режиме на ЭВМ наблю­дать процесс профилирования зубьев сложных инструментов (ТулГУ, БГТУ), долж­ны обеспечивать также быстрое решение первой задачи и практически не учитывать так называемые условия профилирования: их заменяет конечный результат в виде необходимого профиля зубьев и впадины.

3.На стадии проектирования специальных инструментов методом моделирования будет оцениваться неравномерность процессов фрезерования. Этот показатель будет минимизироваться путем изменения углов подъема зубьев, их числа, исполь­зования конструктивных подач и т.п.

В совокупности решение этих трех задач объединяет процесс проектирования и изготовления в замкнутый цикл, как это и предусмотрено идеологией CAD-CAM.

4. Развитие новых технологий получения заготовок режущих инструментов. Здесь наметились два взаимоисключающих направления.

Первое из них предполагает изготовление быстрорежущих и твердосплавных ин­струментов шлифованием «по целому» из точных цилиндрических заготовок, имею­щих заданную чертежом твердость. На рынке появились заготовки режущего инст­румента в виде гладких цилиндрических изделий, выполненных из порошковых бы­строрежущих сталей и твердых сплавов и отшлифованных по наружному диаметру до Ra 0,16...0,32 мкм и точностью до 6 квалитета. Заготовки не нуждаются в после­дующей термообработке.

Второе направлено на получение заготовок с минимальными припусками на дальнейшую обработку. В идеале заготовка вообще не должна даже обрабатываться. Так, некоторые так называемые «черные» твердосплавные сменные многогранные пластины (СМП) после спекания больше не обрабатываются.

Первое направление заманчиво тем, что предприятие исключает из технологии заготовительное производство, а приобретает заготовки необходимого диаметра, длины и инструментального материала.

Обработка заготовок эльборовыми и алмазными шлифовальными кругами позво­ляет очень эффективно изготовлять стержневые и втулочные инструменты с так на­зываемым мелким зубом, глубиной до 2...2,5 мм.

В России уже появились инструментальные фирмы, имеющие 1-2 заточных станка с ЧПУ, штат в 8 - 15 человек, которые, используя покупные заготовки, обеспечивают потребность многих промышленных предприятий (г. Мценск, Орел, Серпухов).

При использовании точных заготовок с сформированными зубьями требуется внимание к процессу спекания твердосплавных заготовок - чистоте исходных мате­риалов, соблюдению технологии, использованию пластификаторов (парафин все ча­ще заменяют каучуком) и т. п.

В технологии точных быстрорежущих заготовок все большее значение приобре­тает процесс гидроэкструзии с использованием эффекта сверхпластичности.

Сравнивая два направления, можно предположить, что первое будет превалиро­вать. Дело в том, что заготовки без зубьев при заточке не требуют процедуры вывер­ки. Инструменты в этом случае затачивают с одной установки, процесс загрузки лег­ко автоматизируется и исключается выверка заготовок по припуску, предполагающая высокую квалификацию станочников.

5. Совершенствование технологии предварительной механической обработки ин­струментов на всех без исключения операциях, преимущественное использование получают станки с ЧПУ, обеспечивающие универсальность и точность.

6. Совершенствование технологии затачивания инструментов. Операции заточ­ки являются финишными и должны обеспечивать точность профиля сложных режу­щих инструментов, минимальную шероховатость поверхностей лезвия и высокую производительность.

На этой стадии тоже основным оборудованием станут многокоординатные (до 5 управляемых координат) станки с ЧПУ.

Эти станки все в большей степени адаптируются к условиям изготовления инст­рументов:

- станки оснащаются мощными компьютерами, которые не только управляют программой обработки, но и позволяют моделировать процесс профилирования зу­бьев инструмента, т.е. методом итераций находить наиболее рациональные профили шлифовальных кругов и траекторий их перемещения;

- комплектование этих станков точными измерительными головками позволяет выполнить необходимую процедуру контроля.

Заточные станки, которые совершенствуются с каждым годом, становятся станка­ми высокого интеллектуального уровня, сочетающими заточку режущего инстру­мента с компьютерной диагностикой, моделированием процесса заточки на экране дисплея, с компьютерной системой контроля. Для процесса совершенствования этих станков характерно применение в деталях полимербетона, что позволяет гасить ко­лебания и иметь высокую термостабильность, применение прямых приводов на станки, оптических линейных измерительных систем, систем правки круга в процес­се изготовления, высокоточных приспособлений для зажима и фиксации обрабаты­ваемых инструментов.

7. Создание новых, совершенствование известных технологий нанесения изно­состойких покрытий на рабочих поверхностях лезвийных инструментов, в том чис­ле и многослойных.

В качестве примера можно привести технологию комплексной вакуумно-плазменной обработки, основанной на использовании двухступенчатого вакуумно-дугового разряда. К преимуществам комплексной вакуумно-плазменной технологии по сравнению с другими способами обработки поверхности изделий (гальванический способ, технология химического осаждения паров металла и вакуумно-плазменная технология) относится возможность реализации всего технологического процесса (очистка, травление, нагрев, азотирование, нанесение покрытий) в течение одного цикла и в одной и той же рабочей вакуумной камере при t = 200 - 450°С, что позво­ляет наносить покрытия на охлажденную и сухую поверхность без потери ее проч­ности, исключая деформацию, добиваясь высокой равномерности покрытий; это экологически чистый метод, поскольку не происходит вредных выбросов. При соблюдении правил техники безопасности технология не оказывает вредного воздей­ствия на здоровье людей, в том числе непосредственно работающих с установкой; метод позволяет наносить широкий спектр покрытий; могут быть использованы ме­таллы, традиционно наносимые гальваническим способом, такие как медь, никель, олово, хром, железо, алюминий, а также металлы, электрохимическое нанесение ко­торых затруднено, например молибден, вольфрам, титан, цирконий и многокомпо­нентные сплавы.

8. При эксплуатации инструментов все более широкое распространение получат системы диагностики состояния режущих инструментов, адаптирования режимов резания и системы АСНИ. Последние наиболее эффективны для экспериментальной обработки конструкций инструментов.

Совершенствование эксплуатации и систем контроля инструмента возможно в со­четании с диагностикой станочного оборудования, вспомогательного инструмента и самого режущего инструмента.

Многоуровневая интегрированная система управления обеспечивает организа­цию эффективного и высококачественного производства путем получения, обработ­ки, передачи и представления взаимоувязанной информации на различных уровнях управления производством с микронной и субмикронной точностью на уровне от­дельных станков и технологических линий, диагностику самого станка (сборки уз­лов, состояния деталей и механизмов, смазки, вибраций и т.д.); диагностику и отра­ботку технологических процессов для выбора оптимальных режимов обработки при заданных параметрах оптимизации с компенсацией погрешностей, связанных с тех­ническим состоянием и отклонением режимов; метрологическое обеспечение авто­матизации измерений на рабочих местах для автоматического контроля точности де­талей и контроля износа инструмента на каждом рабочем месте; оснащение встро­енными высокоточными средствами измерения и контроля параметров технологиче­ского процесса и оборудования с микронной и субмикронной точностью. На уровне цеха диагностика технического состояния технологического оборудования в цехе, адаптация систем управления к изменяемым условиям производства; идентифика­ция всех изготовляемых изделий и инструментов, контроль и протоколирование не­обходимых параметров и режимов обработки каждого изделия; оптимизация техно­логических операций; определение состояния и степени износа, а также анализ стойкости инструмента, предупреждение об износе и повреждении инструмента; ав­томатическое определение оптимальных режимов обработки; создание компьютери­зированной системы метрологического обеспечения средств измерений.