Быстросменная технологическая оснастка.
Скорость переналадки оборудования — важная инженерно-техническая задача. Сокращение времени переналадки позволяет не только свести к минимуму простои оборудования между изготовлением различным партий, но и значительно повысить качество продукции.
Решение задач постоянного улучшения качества, снижения себестоимости, расширения доли на рынке формирует следующие направления развития производства:
— замена нескольких простых деталей, потенциально имеющих отклонения от номинального размера, а значит, более низкую точность, одной более сложной (например, сварной конструкции литой);
— расширение номенклатуры выпускаемых изделий и уменьшение серийности, что означает увеличение объемов подготовки производства, количества переналадок;
— снижение трудоемкости изготовления, а значит, широкое внедрение автоматизации, механизации производства;
— развитие производственной кооперации. Эти факторы стимулируют следующие требования к технологической оснастке:
— увеличение доли сложной и дорогой оснастки (штампы, пресс-формы, специальные приспособления), снижение количества изготавливаемых шаблонов, кондукторов и другой мелкой оснастки за счет расширения технологических возможностей приобретаемого оборудования;
— ограничение времени переналадки оснастки 10 минутами;
— автоматизация, мониторинг и механизация всех процессов. Автоматизация требует создания формализованных алгоритмов управления, которые опираются на фактические данные о процессе. Чем чаше данные анализируются и вносятся управляющие воздействия для процесса (чем лучше мониторинг), тем стабильнее протекает процесс, а качество получаемых изделий ближе к идеальному;
— улучшение качества за счет получения деталей с лучшими показателями (повышение точности, улучшение свойств обработанной поверхности и т.д.);
— увеличение производительности и концентрация операций (последовательные и объемные штампы, сборка в штампе, сокращение времени цикла в пресс-форме, двухкомпонентное литье, сборка в форме).
Из перечисленных требований к технологической оснастке недоумение может вызвать второе — о времени переналадки, не превышающем 10 минут. Однако на предприятиях развитых стран достигаются именно такие результаты, причем для смены такой оснастки, как штампы и прессформы. Для достижения этой цели возможны следующие решения:
— агрегатность или сборка приспособлений из готовых узлов и элементов (например, замена вставок);
— унификация и стандартизация деталей и приспособлений;
— минимизация регулировок и настроек инструмента и приспособлений;
— улучшение организации труда (привлечение дополнительных работников при установке крупногабаритной оснастки, предварительная подготовка инструмента и приспособлений для замены);
— совершенствование способов закрепления сложной оснастки.
В единичном или мелкосерийном производстве происходят потери рабочего времени, связанные со сменой штампов, пресс-форм, приспособлений, деталей, настройкой на размер. Эти потери тем больше, чем шире номенклатура продукции и чем хуже унификация конструкций. Тем не менее любая унификация имеет свои границы, и все детали и вся оснастка не могут быть унифицированы. Например, унификация подштамповых плит по размерам в нескольких группах приводит к сокращению сроков изготовления оснастки за счет имеющегося задела из готовых плит, упрощению установки за счет единообразия элементов крепления и т.п. С другой стороны, плиты для самых маленьких размеров штампов имеют чрезмерную материалоемкость, обрастают «жирком», что весьма неблагоприятно сказывается на себестоимости, особенно в случае, когда плиты поставляются из-за рубежа.
Технические решения, направленные на уменьшение времени переналадки для штампов и пресс-форм, могут быть различными: применение плавающих штампов, рольгангов, вилочных погрузчиков, замена длительного закручивания гаек на всю длину болта одним оборотом за счет применения укороченных болтов, накидных U-шайб или пазов, систем лысок и прослаблений болтов и гаек. Кроме того, могут быть применены кулачки, клинья, конусные штифты, пружины и т.д. Начиная с 60-х годов прошлого века подобная работа проводилась на предприятиях Советского Союза, Европы, Японии и Америки. Результатом таких работ стало создание специализированных предприятий по изготовлению приспособлений для быстрой смены технологической оснастки и быстросменной оснастки (например, разъемы для быстрого подключения коммуникаций). Из иностранных производителей в России на сегодня представлены, по сведениям автора, Staiubli (Германия, в России — Textima), Tecnomagnete (Италия, в России — Соланд-D), Dimeco (Франция, в России — одноименное представительство).
Для сокращения времени переналадки эти компании стали использовать в своих приспособлениях специальные конструкторские решения. Принципы работы некоторых приспособлений описаны ниже.
Механические устройства для быстрой замены и закрепления оснастки.
Суть их заключается в изготовлении промежуточной (переходной) плиты, устанавливаемой между плитой термопласта и пресс-формой (рис. 1). На плите термопласта переходная плита фиксируется болтами. Пресс-форма закрепляется за шейку центрирующезажимным устройством, которое приводится в действие рычагом. Для исключения разжима предусмотрен храповый или иной механизм, в зависимости от модификации. Таким способом можно крепить формы на машинах усилием смыкания до 300 т. При закреплении появляется возможность сразу центрировать форму. Приспособление имеет простую конструкцию и неприхотливо в работе. Температура работы приспособления не должна превышать 210-220 °С, оно малочувствительно к загрязнениям. Ресурс работы при средней интенсивности эксплуатации составляет 10 лет.
Единственным поставщиком таких приспособлений в России, по сведениям автора, является Textima (производство Staubli). Стоимость подобного устройства значительно меньше (на 30-50% в зависимости от габарита) стоимости приведенных ниже магнитных устройств при тех же достоинствах.
Гидравлические устройства для быстрой замены и закрепления оснастки.
Пресс или термопластавтомат оборудуются гидравлическими зажимающими устройствами. При их применении необходимо выверять установку оснастки для совмещения каналов, хвостовиков и т.п. Для работы гидравлической системы нужна гидростанция, устанавливаемая рядом с прессом или термопластом. При этом гидростанция требует постоянного обслуживания: осмотра соединений, уплотнений, приборов, замены масла. Для работы насоса требуется электроэнергия. Работоспособность гидравлических систем при повышенных температурах снижается. По опыту автора, предел составляет 100 °С. С превышением этой температуры под высоким давлением в системе начинают возникать течи масла. Наличие дополнительных магистралей для подвода гидравлической жидкости к рабочим органам также затрудняет работу. Возможность закрепления прихватами по краям требует изготовления таких же подштамповых плит, как и для закрепления оснастки обычным способом.
Однако несомненным преимуществом данного решения является ресурс работы, определяемый долговечностью комплектующих гидравлической системы. Другим преимуществом является независимость закрепления при появлении износа плит или прихватов — гидросистема всегда полностью выбирает имеющиеся зазоры и обеспечивает надежное закрепление. Кроме того, при проектировании гидравлической системы усилие для фиксации оснастки может быть предусмотрено в достаточно широком диапазоне, что важно при работе с большой или уникальной оснасткой.
Гидравлические приспособления для быстрой смены оснастки производства Staubli применяются в роботизированных комплексах. Поставку такого оборудования осуществляет и компания Dimeco.
Постоянные магниты для быстрой замены и закрепления оснастки.
В переходную плиту, монтируемую между оснасткой и оборудованием, устанавливают постоянные магниты. Магниты могут находиться в состоянии «размагничено» и «намагничено», переключение происходит одним электрическим импульсом при повороте оператором ручки. В состоянии «намагничено» устройство обеспечивает удержание металлических предметов с усилием до 1000 кг/см2. Устройство не требует электропитания (тем не менее подключение к электросети для управления необходимо), не выделяет тепла, не требует эксплуатационных затрат. Однако поверхность магнитной плиты требует очистки от загрязнений.
При закреплении пресс-формы удерживающая ее сила равномерно распределена по всей плошали контакта в отличие от крепления прихватами, когда закрепление происходит только в точках по краям формы. За счет этого возможно снижение толщины плит, форм и штампов, а также не требуется изготовления отверстий в плитах. Кроме экономии материала оснастки, а также отсутствия необходимости изготовления болтов, гаек и прихватов, за счет увеличения жесткости закрепления и уменьшения деформаций качество получаемых деталей улучшается (меньше заусенцев и облоя), а ресурс работы оснастки увеличивается. Применение магнитной системы позволяет также получить более легкий доступ ко всем механизмам, коммуникациям, магистралям и механизмам оснастки и оборудования, так как отсутствуют традиционные помехи при использовании обычных и гидравлических систем крепления.
Система снабжена пультом управления «рис. 3» который может быть смонтирован на оборудовании или быть переносным – такое решение повышает безопасность установщика. Центрирование плит осуществляется по кольцу в плите, выполненному в соответствии со спецификацией термопласта.
Использование магнитных плит возможно при температурах контактной поверхности пресс-формы 120 °С. Существуют магнитные плиты специального исполнения, которые могут эксплуатироваться при температуре 165-180 "С.
Такие приспособления изготавливают компании Staubli (Германия), Tecnomagnete (Италия).
Эти конструкторские решения и требования к быстрой смене оснастки стимулировали проектирование и внедрение муфт для быстрого подключения к магистралям пресс-форм. Соединение и разъединение осуществляются «в одно движение». Быстроразъемные соединения применяются в автомобильной промышленности, железнодорожном транспорте, металлургии. полимерной индустрии.
Известны также системы и приспособления быстросменной станочной оснастки.
Для закрепления деталей на станках также стали применяться постоянные магниты. Одним из самых распространенных приспособлений стали магнитные плиты для шлифования.
Так как при шлифовании срезаемый припуск и силы резания невелики, деталь удавалось надежно фиксировать. При лезвийной обработке из-за роста сил резания сила закрепления была недостаточной. Работы в области применения магнитов для крепления продолжались, и сегодня фирмой Tecnomagnete производится оснастка на основе постоянных магнитов для использования на всех видах станков.
Технологические преимущества приспособлений на базе постоянных магнитов следующие: возможность пятисторонней обработки деталей, так как заготовка крепится по одной плоскости, отсутствуют мешающие элементы приспособления, появляется возможность легко обрабатывать детали, размеры которых превышают размеры стола станка. Следствием равномерного распределения усилия закрепления является отсутствие деформаций, снижение уровня вибраций, что отражается на улучшении качества поверхностей.
Детали на поверхности плиты могут быть закреплены и через стальные проставки — опоры. Эти проставки называются удлинителями полюсов. Применение удлинителей полюсов (рис. 4) дает возможность сверления сквозных отверстий, фрезерования участков шестой поверхности прямоугольной заготовки, позволяет создавать специальные конфигурации (в том числе с обработкой) для базирования деталей сложной формы.
Существуют и подвижные удлинители полюсов. Эти устройства имеют возможность раздвигаться и сжиматься под действием магнитной силы, на этом свойстве основано применение подвижных удлинителей для обработки деталей, не имеющих базовых поверхностей.
Крупные производители режущего инструмента, такие, как Mitsubishi, Sandvik и др., также двигаются в направлении разработки быстросменной агрегатируемой станочной оснастки. Например, фирмой Sandvik была выпушена целая серия решений для построения
универсальной инструментальной системы Coromant Capto применимой во многих вилах обработки (точение, фрезерование, сверление, растачивание). Среди решений, примененных в системе, — универсальная система крепления пластин CoroTurn RC, позволяющая крепить пластины из твердого сплава, керамики с отверстием или без, а также пластины различной толщины. Например, в модульных инструментальных головках серии 570 используется унифицированное крепление на рифлениях, что обеспечивает полную взаимозаменяемость между адаптерами, резцовыми головками, оправками и переходниками. Крепление дает возможность применять резцовые головки на токарных, резьбонарезных, расточных операциях проточки канавок. Некоторые из перечисленных адаптеров предназначены для быстрой смены настроенных блоков инструментов (инструмент + адаптер). Для быстрой смены рабочих частей инструментов реализован метод «за один поворот», например, на развертках серии Reamer.
Такая инструментальная система имеет не только высокую универсальность и гибкость, но и за счет модульно-агрегатной системы позволяет создавать требуемые инструментальные наладки.
Для быстрой смены метчиков и сверл давно выпускаются быстросменные патроны. В патрон устанавливается вставка под метчик или сверло нужного диаметра, для фиксации инструмента от проворота на него наносятся лыски. Для смены инструмента достаточно нажать на кольцо патрона, после чего вставка вместе с инструментом освобождается. Патроны снабжаются муфтой для контроля усилия резания. При достижении критической величины усилия, которая может привести к поломке инструмента, происходит проворот муфты. Такие патроны могут использоваться также в станках с электрическим и пневматическим приводом.
Кроме пресс-форм, штампов и станочной оснастки, на предприятиях используется также и множество различных приспособлений: сборочных, сварочных, нестандартное оборудование. Их использование также требует времени не только на переналадку, но и на установку. Как правило, эту оснастку проектируют на самих предприятиях. Комбинируя конструкторско-технологические приемы и организацию рабочего места, можно снизить время на переналадку.
Одним из вариантов снижения времени переналадки является вынесение возможно большей части операций за пределы станка, рабочей зоны. В качестве примеров таких решений можно привести разметку деталей на специальном рабочем столе, предварительную установку деталей в спутник или специальное приспособление, исключающее длительную установку на станке.
Кроме понятной выгоды от быстрых переналадок с точки зрения снижения трудоемкости, необходимо отметить положительное влияние быстрых переналадок на качество продукции. За счет упрощения работы механизмов с использованием новых конструкторских или специальных конструкторско-технологических решений снижается вероятность ошибок, погрешностей регулировки при переналадке. Вместе с тем увеличивается жесткость технологической системы, повышается гибкость производства, снижаются требования к уровню квалификации работников. Таким образом, вероятность появления дефектов снижается, а управлять качеством становится проще.
