Основные направления в проектировании приспособлений.
Классификация приспособлений.
Классификацию приспособлений проводят по нескольким признакам.
I. По целевому назначению приспособления делят на 5 групп.
1.Станочные приспособления для установки и закрепления на станках обрабатываемых заготовок. В зависимости от вида механической обработки эти приспособления делятся на приспособления для сверлильных, фрезерных, расточных, токарных, шлифовальных и других станков. Станочные приспособления составляют 80-90% в общем парке приспособлений. К ним относят также приспособления специального назначения (для гибки, рихтовки и других операций).
2.Станочные приспособления для установки и закрепления рабочего инструмента, осуществляющие связь между инструментом и станком, в то время, как первый вид осуществляет связь заготовки со станком. С помощью приспособлений первого и второго вида выполняют наладку технологической системы СПИД. К ним относятся патроны для сверл, разверток, метчиков, многошпиндельные сверлильные и фрезерные головки, инструментальные державки для токарно-револьверных станков и автоматов и другие устройства.
Эти приспособления, называемые также вспомогательным инструментом, характеризуются большим числом нормализованных конструкций.
3.Сборочные приспособления для соединения сопрягаемых деталей в узлы и изделия. Их применяют для:
а) крепления базовых деталей (узлов), собираемого изделия;
б) обеспечения правильной установки соединяемых элементов детали, изделия;
в) предварительной сборки упругих элементов (пружин, разрезных колец и т.д.);
г) для выполнения соединений с натягом.
4.Контрольные приспособления применяются для промежуточного и окончательного контролей, контроля деталей в процессе механической сборки и для контроля собранных узлов машин.
К этой группе относятся также испытательные и контрольно-измерительные стенды.
5.Приспособления для захвата, перемещения и перевертывания обработанных заготовок и узлов (так называемые транспортно-кантовальные приспособления), используемые при обработке и сборке тяжелоемких деталей и изделий.
Станочные приспособления.
Станочными приспособлениями называются дополнительные устройства к металлорежущим станкам, позволяющие наиболее экономично в заданных производственных условиях обеспечить заложенные в конструкции детали требования к точности размеров, формы и расположения обрабатываемых поверхностей деталей.
К станочным приспособлениям относятся: устройства для установки и закрепления обрабатываемых деталей на станках (приспособления), устройства для установки и закрепления режущего инструмента на станках (вспомогательный инструмент).
В современных производствах роль таких устройств настолько велика, что во многих случаях приспособления «сливаются» со станком так, что трудно найти границу между станком и приспособлением к нему.
По технологическому признаку станочные приспособления делятся на приспособления к станкам: токарным, сверлильным, расточным, фрезерным, протяжным, зуборезным, шлифовальным и т.д.
II.По степени специализации приспособления подразделяют на три группы, в каждую из которых входят соответствующие системы станочных приспособлений, предусмотренные ЕСТПП и ГОСТ 14.305-73 «Правила выбора технологической оснастки». В отдельную систему можно выделить средства механизации зажима станочных приспособлений (СМЗСП).
Система приспособлений – совокупность приспособлений, конструкции которых компонуются на базе единых характерных правил для обеспечения единства выполнения их и использования в определенных организационных условиях технологического процесса изготовления различных деталей.
| Станочные приспособления |
| универсальные |
| специализированные |
| специальные |
| универсально–безналадочные (УБП) |
| универсально – наладочные (УНП) |
| универсальные устройства и средства (УУС) |
| специализированные безналадочные (СБП) |
| специализированные наладочные (СНП) |
| сборно–разборные (СРП) |
| универсально – сборные (УСП) |
| неразборные специальные (НСП) |
Система УБП – предусматривает применение универсальных регулируемых приспособлений, не требующих сменных установочных и зажимных элементов. Она включает комплексы универсальных приспособлений, входящих в комплекты оснастки, поставляемой машиностроительным предприятиям в качестве принадлежностей к станкам. Рекомендуется для единичного и многосерийного производства.
Система УНП – предусматривает разделение элементов приспособлений на два основных вида: базовые и сменные. Базовые элементы – постоянная многократно используемая часть приспособления, изготавливаемая заранее по соответствующим стандартам. Сменные установочные и зажимные элементы наладки могут быть универсальными (тиски со сменными наладками, делительные устройства, поворотные столы и т. п.).
Рекомендуется для мелкосерийного и серийного производства, особенно эффективна при групповой обработке заготовок.
Система УУС – используются для механизации приспособлений с целью облегчения труда и повышения его производительности. К ним относятся:
- легкоперемещающиеся плавающие столы;
- подставки с ловителями инструмента;
- отдельно скомпонованные пневматические, пневмогидравлические, гидравлические, магнитные, электромагнитные, электромеханические и др. устройства.
Система УУС включает средства механизации зажима станочных приспособлений (СМЗСП).
Специализированные безналадочные приспособления (СБП) - используются для установки заготовок, близких по конструктивно-технологическим признакам и требующих одинаковой обработки и установки на одноразмерные или комбинированные установочные элементы (для однотипных операций предусмотрена возможность регулировки положения установочных элементов). К ним относятся: приспособления для групповой обработки заготовок типа валов, осей, втулок, стаканов, фланцев, дисков, колец, кронштейнов, корпусов и т.п.
Система СНП – так как и система УНП, включает базовые элементы и комплексы элементов- наладок, но отличается более высокой степенью механизации приводов и применением многоместных приспособлений.
Рекомендуется для специализированного серийного и крупносерийного производств. Важная особенность СНП (по сравнению с УНП) состоит в том, что каждому из них соответствует единственно возможная схема базирования.
Система УСП – предусматривает комплекс стандартных заранее изготовленных из высококачественных легированных и инструментальных закаленных сталей (12ХН3А, 48А, У10А и др.) элементов – деталей и сборочных единиц высокой точности, из которых компонуют различные конструкции специальных приспособлений. После использования приспособление разбирают на составные элементы. Элементы УСП находятся в обращении 18..20 лет. Рекомендуется для единичного, мелкосерийного, серийного и различных опытных производств, в период освоения новых видов изделий.
Обычно комплект УСП содержит 25-30 тысяч деталей, из которых одновременно можно собирать до 300 приспособлений.
1 группа – базовые детали (плиты, угольники, кронштейны). Характерными особенностями их является наличие пазов Т-образных и П-образных пазов.
2 группа – корпусные и опорные детали (различные призмы, угольники). Кроме сетки пазов еще имеют прорези и отверстия для крепления.
3 группа – установочные детали (шпонки, пальцы, центры, втулки).
4 группа – направляющие детали (кондукторные втулки, планки, колонки).
5 группа – крепежные детали (винты, болты, гайки). Служат для крепления всех элементов.
6 группа – прижимные детали (прихваты различных типов).
7 группа – разные детали (рукоятки, пружины, эксцентрики).
8 группа – неразборные узлы (поворотные головки, фиксаторы, центровые бабки).
Основные требования к ним: большая надежность, износостойкость и долговечность.
Система СРП – содержит комплексы стандартных сборочных единиц с базовыми поверхностями для сборки различных приспособлений. По окончании эксплуатации (при смене объекта производства) компоновки разбирают на сборочные единицы и используют их в новых приспособлениях.
Рекомендуется для серийного и крупносерийного производств в условиях частой смены выпускаемых изделий с большим количеством модификаций.
Система НСП – содержит комплексы преимущественно стандартных сборочных единиц, деталей и заготовок, а также нестандартных элементов для изготовления высокопроизводительных специальных приспособлений и сменных специальных наладок.
Рекомендуется для стабильного крупносерийного и массового производства. Это одноцелевые приспособления, которые используются для выполнения определенной операции при обработке конкретной заготовки.
III. По степени механизации и автоматизации приспособления делятся на:
· ручные;
· механизированные;
· полуавтоматические;
· автоматические.
В автоматизированном производстве приспособление является элементом сложного транспортирующего, загрузочно-разгрузочного комплекса.
Уровень автоматизации того или иного приспособления определяется количеством рабочих приемов, охваченных механизацией или автоматизацией.
В механизированных приспособлениях с помощью силового привода выполняются приемы закрепления и открепления, а при установке крупных деталей дополнительно и прием базирования. Остальные приемы выполняются вручную.
В полуавтоматических приспособлениях часть приемов выполняется автоматически, без участия рабочего, а остальные остаются механизированными или ручными.
В автоматических приспособлениях все приемы, начиная от загрузки и базирования и кончая съемом обработанных деталей, производятся без участия рабочего.
Таким образом, в конструировании приспособлений часто прослеживаются следующие направления:
1) механизация и автоматизация приспособлений;
2) стандартизация приспособлений;
3) экономичность приспособлений.
Механизация и автоматизация является одним из основных направлений в проектировании приспособлений.
Удельный вес машинной работы (резание) в среднем не превышает 50% от времени работы за смену. Остальное время затрачивается преимущественно на вспомогательную работу: установку и закрепление деталей, управление станком, контроль в процессе обработки. В зависимости от серийности производства tв составляет 25..60% от времени работы смены.
При этих условиях становится очевидным значение механизации и автоматизации станочных приспособлений и внедрения прогрессивных конструкций.
Кроме того автоматизация и механизация облегчают труд рабочих.
При проектировании приспособлений и загрузочных устройств можно обеспечить механизацию или автоматизацию любого из следующих приемов вспомогательной работы на станке:
1) загрузку обрабатываемых деталей в рабочую зону приспособления (производится с помощью загрузочного устройства или механической руки, а при обработке из прутка – с помощью специального подающего устройства;
2) базирование деталей, т. е. доведение их базовых поверхностей до полного контакта с установочными элементами приспособления (производится вспомогательными цилиндрами и мембранами, обычно сблокированными с цилиндрами, осуществляющими окончательный зажим);
3) закрепление и открепление деталей;
4) периодические повороты деталей при позиционной обработке с последующей фиксацией и зажимом поворотной части приспособления;
5) вращение при непрерывной обработке, например, при непрерывном фрезеровании с механизированным или автоматизированным закреплением и откреплением деталей на вращающемся столе;
6) удаление обработанных деталей из рабочей зоны приспособления (выталкивание пружинным, пневматическим или гидравлическим плунжером, скатывание по желобу); в ряде случаев работу выталкивателя блокируют с действием зажимного устройства;
7)очистку установочных поверхностей приспособления от стружки струей сжатого воздуха, охлаждающей жидкости или путем отсоса стружки с помощью специальных устройств.
Автоматизация приспособлений в большинстве случаев базируется на применении пневматических, пневмогидравлических или гидравлических приводов, управляемых через конечные выключатели, золотниковые устройства и упоры перемещающимися рабочими органами станка.
Автоматизация цикла работы станка, дополненная автоматизацией цикла работы приспособления, позволяет превращать обычные универсальные станки в полуавтоматы и автоматы, а это, в свою очередь, обеспечивает возможность многостаночного обслуживания и значительное повышение производительности труда.
Стандартизация приспособлений.
В области приспособлений стандартизацией охвачены:
1) конструктивные и размерные элементы (резьбы, конусы, шпоночные соединения, уклоны, посадки и т.п.);
2) заготовки корпусов;
3) узлы;
4) некоторые конструкции приспособлений;
5) элементы силовых приводов.
В результате применения стандартизованных узлов и деталей наряду с сокращением сроков проектирования уменьшается в 3 – 4 раза трудоёмкость механической обработки и примерно в 2 раза сокращается цикл изготовления приспособлений.
Проведённая стандартизация в области оснастки позволяет проектировать приспособления с применением стандартных деталей и узлов в объёме от 30 до 90% от общего количества деталей в конструкции.
В результате себестоимость изготовления приспособлений снижается на 20 – 30%, а общий цикл оснащения нового изделия сокращается на 30 – 40%.
Универсализация приспособлений.
Быстрое развитие современного машиностроения вызывает необходимость частой замены выпускаемой продукции новой, более современной. При этом почти вся специальная оснастка списывается (старая) и проектируется и изготавливается новая. Это влечёт за собой большой объём трудовых и денежных затрат на производство приспособлений, что, в свою очередь, отражается на сроках технологической подготовки производства и себестоимости производимой продукции. Более половины всех трудовых затрат (65%) в технологической подготовке производства приходится на изготовление приспособлений и оснастки.
В то же время для обеспечения роста производительности труда и снижения себестоимости продукции необходимо повышать оснащённость техпроцессов приспособлениями.
Это противоречие стремятся преодолеть путём нормализации деталей и узлов приспособлений, которая позволяет ускорить и удешевить изготовление технологической оснастки. При этом снижается объём конструкторских работ.
Изготовление нормализованных деталей большими партиями улучшает организацию работы инструментального цеха и удешевляет их изготовление.
В настоящее время специальные приспособления состоят почти на 70% из нормализованных стандартных деталей.
Нормализация проходит тремя этапами:
1-ый этап – нормализация общих конструктивных и размерных элементов (резьбы, конусы, посадки и др.)
2-ой этап – нормализация деталей приспособлений (пальцы, пластины, установы, корпусы и др.)
3-ий этап – нормализация узлов приспособлений (пневмоцилиндры, делительные механизмы, выталкиватели и др.).
Разработка нормалей ведётся передовыми машиностроительными заводами, проектно-технологическими и научно-исследовательскими институтами. Нормали бывают ведомственные и общесоюзные.
Однако, нормализация в том виде, как показано, даёт положительные результаты при проектировании приспособлений для массового и серийного производства и не решает вопроса для мелкосерийного и индивидуального производства. Нужны качественно (иные) новые формы оснащения этих производств технологической оснасткой.
УСП
Работы, проведённые предприятиями и НИИ показали, что из всех видов технологической оснастки, применяемых на заводах индивидуального и мелкосерийного производства, наибольшими достоинствами обладает система универсально-сборных приспособлений (УСП), созданная советскими инженерами В.С. Кузнецовым и В.А. Пономарёвым в середине сороковых годов.
Основным назначением системы УСП является высокооперативное обеспечение производства технологической оснасткой, повышение коэффициента оснащённости операций и производительности труда, снижение себестоимости технологического оснащения, а также повышение общей культуры производства.
Сущность системы УСП заключается в том, что вместо ряда необходимых специальных приспособлений из нормализованных и заранее изготовленных элементов непрерывно создаются самые разнообразные приспособления (компоновки). Когда надобность в таких приспособлениях отпала, они разбираются на составные части и из этих элементов собираются новые конструкции приспособлений.
Универсально-сборные приспособления создаются по принципу 100% применения стандартных и нормализованных деталей и узлов.
УСП по назначению представляет собой специальное приспособление и обладает всеми его качествами. В то же время УСП не идёт на лом после выполнения операции. В этой системе действует принцип длительной обращаемости элементов (свойственный универсальным приспособлениям), обеспечиваемой их взаимозаменяемостью и высокой износоустойчивостью.
Обычно комплект элементов УСП включает 25000-30000 деталей, из которых одновременно может собираться до 300 приспособлений. Пусковой компонент для небольшого завода может иметь 1,5-2,5 тысячи деталей, из которых можно собирать 300-400 приспособлений в год.
Все детали УСП разбиты на 8 групп:
1)Базовые детали – плиты, планшайбы, угольники и др. Детали покрыты сеткой пазов – шпоночных для ориентировки деталей друг относительно друга и Т – образных для крепления на них других деталей болтами. Размеры пазов у всех деталей комплекта одинаковы. Он может быть 8, 12 или 16 мм. Комплект для тяжёлого машиностроения имеет пазы 16 мм, для приборостроения – 8 мм. Допускаемые отклонения от взаимной параллельности и перпендикулярности пазов <0,01 мм на длине 200мм, отклонения от параллельности и перпендикулярности плоскостей <0,005мм на 100мм.
Класс частоты - 9 - 10 (Ra 0,32 – 0,26 мкм).
2) Корпусные и опорные детали – призмы, угольники, подкладки и др. Они тоже покрыты сеткой пазов, но имеют еще прорези и отверстия, сквозь которые пропускаются крепежные болты.
3) Установочные детали – шпонки, пальцы, установочные диски, центры, втулки, валики и др.
4) Направляющие детали – кондукторные втулки, кондукторные планки, колонки и др.
5)Прижимные детали – прихваты различных типов.
6) Крепежные детали – для крепления элементов УСП – винты, болты, гайки.
7) Разные детали – рукоятки, эксцентрики, пружины т др.
8) Неразборные узлы – поворотные головки, центровые бабки, фиксаторы, самоустанавливающиеся опоры, пневмогидравлические зажимы, пневмоцилиндры и др.
Детали набора УСП должны быть прочными, износостойкими и длительное время сохранять точные размеры и форму.
УСП могут применяться при выполнении самых разнообразных операций, таких как: токарные, фрезерные, сверлильные, строгальные, протяжные, шлифовальные, сборочно-сварочные, контрольные и многие другие.
Процесс конструирования, в основном, состоит в подборе необходимых деталей и узлов и нахождении правильного их сочетания в общей компоновке, которая должна отвечать всем эксплуатационным и технологическим требованиям. Крепление всех деталей в единую конструкцию производится с помощью болтов и гаек.
Как и при обычном проектировании специального приспособления, исходными данными для каждой компоновки УСП являются:
1.Чертеж детали (или эталон детали) с технологическими требованиями.
2.Вид обработки (фрезерование, точение).
3.Технологические данные – базы для установки, место крепления, тип станка, режущий и мерильный инструмент.
4.Величина партии обрабатываемых деталей.
Сборку выполняют рабочие высокой квалификации по чертежу или образцу детали без предварительного составления чертежей приспособления. Если предполагается, что сборка такого приспособления может повториться, то его целесообразно сфотографировать. Время, затрачиваемой на сборку компоновки УСП, составляет в среднем 3-3.5 часа (от 1 часа до 9 часов).
Время от момента заказа УСП до установки его на станок составляет 1-3 дня, вместо двух месяцев при изготовлении специального приспособления.
Технико-экономическая эффективность применения системы УСП складывается из следующих факторов:
1)сокращение цикла технологической подготовки производства и выпуска новых изделий;
2)повышение качества и снижение трудоемкости изготавливаемых изделий;
3)сокращение расхода металла и экономия денежных средств на изготовление оснастки. Для УСП считается, что расход металла идет на изготовление новых деталей и на пополнение случайной убыли.
Подсчитано, что это составляет ~0,3 кг металла стоимостью 3 коп. на каждую компоновку;
4) высвобождение значительной части станочного оборудования и производственных площадей.
Опыт эксплуатации системы УСП показывает, что применение комплекта УСП в рамках одного завода не всегда рентабельно. В этом случае целесообразна организация прокатных баз, услугами которых пользуется большое количество предприятий.
Область применения УСП – мелкосерийное, опытное и индивидуальное производство. Кроме того, УСП применяются и при больших масштабах производства во время перехода на выпуск новой продукции, а также в инструментальных и ремонтных цехах.
УНП
Система универсально-наладочных приспособлений (УНП) основана на использовании сменных наладок к универсальной нормализованной части приспособления.
Приспособления системы УНП состоят из двух частей:
- постоянной, куда обычно относится корпус приспособления и привод;
- сменной, в которую входят направляющие, установочные и зажимные элементы.
В этих приспособлениях, также как и в УСП, обеспечивается принцип обратимости, т.к. они используются для выполнения комплекса различных детале-операций.
УНП применяются в серийном производстве. При запуске новой партии деталей приспособление не снимается со станка, а производится лишь перестановка сменных элементов и их регулировка. Сменные детали и узлы УНП не сдаются на склад, а хранятся на рабочем месте у станка. На перестановку сменных элементов требуется очень мало времени. Это приводит к сокращению подготовительно-заключительного времени и улучшению использования оборудования.
Применение УНП сокращает сроки подготовки производства, удешевляет стоимость приспособлений, т.к. наиболее дорогие элементы приспособлений – корпус и привод сочетаются с различными сменными наладками и создают целый ряд специальных приспособлений.
Примерами УНП могут быть машинные тиски, скальчатые кондукторы, пневматические патроны со сменными кулачками, планшайбы с переставными угольниками, раздвижные кондукторы для сверления отверстий во фланцах различного диаметра и др. При обработке мелких деталей на фрезерных и др. станках применяются УНП со сменными кассетами.
Количество переналаживаемых приспособлений непрерывно растет. Приобретается опыт их эксплуатации. Это создает прочную основу дальнейшего развития системы УНП.
УНП применяются при обработке деталей, закрепленных за групповой поточной линией. Кроме того для групповых поточных линий применяются комбинированные приспособления для одновременной обработки нескольких деталей.
Экономический анализ вариантов приспособлений.
Для выполнения одной и той же технологической операции могут быть использованы приспособления равноценные по точности, но различные по сложности, стоимости и производительности. Предпочтение отдается тому приспособлению, которое дает наименьшую стоимость операции.
Экономическое обоснование выбора того или иного варианта приспособления основывается на сопоставлении технологических себестоимостей операции, по одному и другому варианту, включающих в себе лишь те статьи себестоимости, которые зависят от применяемо приспособления.
Все статьи технологической себестоимости условно делятся на две группы:
1)переменные расходы, зависящие от объема производства. Сюда входят:
З – зарплата станочника;
Sэ.ст. – стоимость эксплуатации станка;
Аст. – стоимость амортизации станка;
Wxx – стоимость электроэнергии, расходуемой на холостые ходы станка.
Эти расходы считаются на 1 деталь.
2)постоянные расходы, не зависящие от объема производства. Сюда относятся:
Sн – годовая стоимость наладки приспособления;
Апр = 0,6Sпр – стоимость амортизации и эксплуатации приспособления, где Sпр – стоимость приспособления.
Эта статья расходов исчисляется из расчета, что при трех годичном сроке службы приспособления амортизация составляет 33%, а эксплуатационные расходы на содержание приспособления составляет примерно 27% от его стоимости.
Тогда годовая технологическая себестоимость Ег.т. будет равна:
Ег.т. = (3 + Аст. + Sэ.ст. + Wxx) П + Sн + 0,6Sпр;
где П – годовая программа деталей, обрабатываемых в данном приспособлении.
Если ввести обозначения
V = 3 + Аст. + Sэ.ст. + Wxx – переменные расходы;
С = Sн + 0,6Sпр – постоянные расходы,
то Ег.т. = V П +С.
Эта зависимость легко представляется графически линией в координатах ЕОП, у которой переменные расходы характеризуют угол наклоны прямой, а постоянные величины – отрезок на оси Е.
Если сравнить два варианта приспособлений, то будем иметь следующие уравнения:
Е1 = V1 П +С1 и Е2 = V2 П +С2.
Выразим это графически (см. рисунок выше). Для примера зададимся, что С1<С2 и V1>V2 , тогда график будет иметь вид как на рисунке.
Рассмотрение графика показывает, что при годовой программе меньшей Пкр первый вариант приспособления дает меньшую технологическую себестоимость, а при программе большей Пкр – выгоднее второй вариант. При программе Пкр оба варианта равноценны, то есть Е1=Е2.
V1 Пкр +С1 = V2 Пкр +С2;
Пкр = .
Для определения стоимости приспособлений Sпр можно пользоваться заводскими данными или, подсчитав приближенно по формуле:
Sпр = Спр N;
где N – количество деталей в приспособлении;
Спр – постоянная, зависящая от стоимости приспособления и его габаритных размеров.
Величина Спр принимается:
- для простых приспособлений Спр=1,5;
- для приспособлений средней сложности Спр=3,0;
- для сложных приспособлений Спр=4,0.
Количество оснастки, применяемой на машиностроительных заводах столь велико, что необходимо всемерно стремиться к снижению ее стоимости. Для этого необходимо:
- количество деталей приспособления сводить к минимуму;
- облегчать вес приспособлений без снижения его жесткости;
- проектировать детали простой формы и наименьшим количеством мест обработки;
- максимально применять нормализованные и стандартизованные детали и узлы;
- использовать вышедшие из употребления приспособления, снимая или переделывая узлы и так далее.