eng
Содержание
ВВЕДЕНИЕ............................................................................................8
ГЛАВА 1.
ИСТОРИЯ ИНСТРУМЕНТООБЕСПЕЧЕНИЯ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВ..............................9
1.1.
Виды оснащаемого оборудования.............................................10
1.2.
Конструкции инструментальной оснастки для автоматизированных производств............................................16
1.2.1.
Инструментальная оснастка автоматических линий..........................16
1.2.2.
Инструментальная оснастка станков с ЧПУ.......................................25
1.3.
Научно-производственные школы...........................................38
Литература к главе 1.............................................................................48
ГЛАВА 2.
ОРГАНИЗАЦИЯ ИНСТРУМЕНТООБЕСПЕЧЕНИЯ
В УСЛОВИЯХ ПЛАНОВОЙ ЭКОНОМИКИ..................................49
2.1.
Создание специализированного производства
вспомогательного инструмента.................................................50
2.1.1.
Нормативная комплектация серийных станков
с ЧПУ вспомогательным инструментом.............................................57
2.1.2.
Разработка и внедрение специализации инструментальных
заводов..................................................................................................67
2.2.
Производство инструментальных материалов.........................68
2.2.1.
Инструментальные стали.....................................................................69
2.2.2.
Твердые сплавы и режущая керамика..................................................74
2.3.
Применение технологий нанесения износостойких
покрытий в инструментальном производстве..........................82
2.3.1.
Методы поверхностной упрочняющей обработки..............................82
2.3.2.
Улучшение эксплуатационных показателей режущих
инструментов........................................................................................90
2.4.
Производство сверхтвердых материалов
для обработки резанием............................................................97
Литература к главе 2...........................................................................100
6
Современное инструментообеспечение российского машиностроения
ГЛАВА 3.
ИНСТРУМЕНТООБЕСПЕЧЕНИЕ
В УСЛОВИЯХ РЫНОЧНОЙ ЭКОНОМИКИ............................... 102
3.1.
Конструкционные материалы и их свойства..........................104
3.2.
Изготовители изделий из инструментальных
материалов...............................................................................124
3.2.1.
Сменные режущие пластины..............................................................125
3.2.2.
Твердосплавные цилиндрические стержни........................................139
3.3.
Стандартизация инструментальных материалов....................149
Литература к главе 3...........................................................................154
ГЛАВА 4.
РАЦИОНАЛИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЙ
ОБРАБОТКИ РЕЗАНИЕМ............................................................ 156
4.1.
Выбор инструментального материала.....................................156
4.2.
Назначение режимов резания.................................................167
4.3.
Технологические испытания...................................................181
Литература к главе 4...........................................................................186
ГЛАВА 5.
МОДУЛЬНАЯ ИНСТРУМЕНТАЛЬНАЯ ОСНАСТКА................... 187
5.1.
Модульные инструментальные наладки.................................187
5.2.
Конструкции модульного расточного инструмента...............198
5.3.
Устройства для предохранения метчиков от поломок...........209
Литература к главе 5...........................................................................217
ГЛАВА 6.
СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ
РАБОТОСПОСОБНОСТИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА.......... 218
6.1.
Основные функции и виды износоустойчивых
покрытий..................................................................................218
6.2.
Многослойные и композиционные покрытия.......................221
6.3.
Технологические подходы и оборудование
для осаждения многослойных и композиционных
покрытий..................................................................................234
6.4.
Нанесение износоустойчивых покрытий
на керамический инструмент..................................................244
Литература к главе 6...........................................................................257
ГЛАВА 7.
СИНТЕЗ СИСТЕМЫ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ
ОСНАСТКИ ИЗ УНИФИЦИРОВАННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ............259
7.1.
Принципы автоматизированного проектирования инструментальной оснастки...................................................259
7.2.
Проектирование базисных агрегатов и сменных наладок.....263
7.3.
Унификация инструментальной оснастки.............................276
Литература к главе 7...........................................................................285
ГЛАВА 8.
АВТОМАТИЗАЦИЯ ИНСТРУМЕНТООБЕСПЕЧЕНИЯ..............287
8.1.
Информационное обеспечение по инструменту....................288
8.2.
Международная стандартизация правил и обозначений.......296
Литература к главе 8...........................................................................299
ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................300
Приложение 1.
Специализация инструментальных заводов по выпуску инструментальной оснастки для станков сверлильно-
расточной и фрезерной групп на период 1985–1990 гг.....................303
Приложение 2.
Специализация инструментальных заводов по выпуску инструментальной оснастки для станков токарной
группы на период 1985–1990 гг..........................................................312
Приложение 3.
Перечень заводов-изготовителей инструментальной
оснастки для станков с ЧПУ в 1989 г.................................................315
Приложение 4.
Список изготовителей инструментальной оснастки
(режущего, мерительного, вспомогательного
инструмента и СМП).........................................................................317
ВВЕДЕНИЕ
Машиностроение – основа технологической, экономической и оборон-
ной независимости любого государства. Целью развития машинострои-
тельного производства является обеспечение устойчивого функциони-
рования и модернизация производственного потенциала всех отраслей
экономики. Удельный вес продукции машиностроения и металлообра-
ботки в общем объеме промышленности России достигает 20%.
От уровня машиностроения зависят важнейшие удельные показа-
тели экономики страны: обороноспособность государства, производи-
тельность труда, уровень экологической безопасности и промышлен-
ного производства, материалоемкость и энергоемкость ВВП.
Повышение технического уровня и качества продукции, а также
эффективности производства изделий машиностроения во многом
определяется опережающим развитием металлообработки. В свою оче-
редь эффективность процессов обработки металлов резанием в зна-
чительной степени зависит от качества инструмента как одного из основных
компонентов технологической системы.
Эффективное инструментальное обеспечение определяет уровень
производительных сил общества, обеспечивает внедрение достижений
научно-технического прогресса в области технологий и определяет
уровень производительности труда в промышленности.
Следствием внедрения современного инструментального обеспе-
чения в машиностроительное производство является существенный
рост его эффективности. Приоритетными направлениями использова-
ния потенциала инструментального обеспечения в отечественном ма-
шиностроении являются отрасли авиакосмического, энергетического
и транспортного машиностроения, оборонно-промышленного ком-
плекса и судостроения, сохраняющих конкурентные преимущества,
в том числе и на внешнем рынке.
В предлагаемой монографии впервые систематизирован обширный
теоретический и экспериментальный материал, касающийся вопросов
построения инструментальных систем, проектирования технологиче-
ских процессов, методов изготовления и эксплуатации инструмента
с повышенным ресурсом.
Основу монографии составляют исследования, проведенные
во Всесоюзном научно-исследовательском инструментальном инсти-
туте и в Московском государственном технологическом университете
«СТАНКИН».
ГЛАВА 1
ИСТОРИЯ
ИНСТРУМЕНТООБЕСПЕЧЕНИЯ
МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВ
Первое в России инструментальное производство, призванное обеспечить оружейников режущим инструментом и калибрами, было создано в г. Туле указом Петра I от 12 февраля 1712 года. За прошедшие с этого времени годы отечественное инструментальное производство прошло несколько этапов развития.
В настоящее время Россия, как и вся мировая экономика, в своем развитии прошла пять технологических укладов и приближается к шестому технологическому укладу. Ядро пятого уклада (1970 – н. в.) – электронная промышленность, вычислительная техника, оптико-волоконная техника, программное обеспечение, телекоммуникации. Шестой уклад будет основываться на биотехнологиях, нанотехнологиях, робототехнике, технологиях виртуальной реальности и др.1
Общим для всех технологических укладов является единый технический уровень составляющих его производств, связанных с горизонтальными и вертикальными потоками качественно однородных ресурсов, опирающихся на общие ресурсы квалифицированной рабочей силы и общий научно-технический потенциал.
Для современной России переход к шестому технологическому укладу в большой степени – вопрос технологического суверенитета, при котором должно быть обеспечено создание критических технологий, сквозных технологий и собственных линий разработок, жизненного цикла ключевых технических решений, созданы условия для обеспечения технологического паритета с иностранными государствами, а также самостоятельного производства высокотехнологичной продукции с применением указанных технологий.
Среди этих задач достижения технологического суверенитета России значительное место занимает создание и собственное производство автоматизированного оборудования критической номенклатуры,
1 Кузнецов А.П. Технологический суверенитет в станкостроении. Состояние и развитие // Станкоинструмент, №2 (035), 2024. – С. 34–56.
Современное инструментообеспечение российского машиностроения
режущего и вспомогательного инструмента и комплектующих к ним
на уровне мировых образцов такой продукции.
1.1. Виды оснащаемого оборудования
Исторически первым видом металлорежущего оборудования являются
станки с ручным управлением, которые постоянно совершенствуются
и дополнительно оснащаются отдельными средствами автоматизации.
Основные недостатки этих станков — низкая производительность и
выполнение квалифицированным рабочим всего необходимого цикла
управления работой станка.
Обычно технологический процесс изготовления детали на станке
позволяет одновременно закреплять заготовку, менять режущий ин-
струмент, устанавливать необходимые режимы резания. Но практиче-
ски на станке с ручным управлением все вспомогательные операции
выполняют последовательно. Аналогичная ситуация и с рабочими
операциями. В большинстве случаев технологический процесс обеспе-
чивается несколькими одновременно работающими инструментами,
однако при ручном управлении все рабочие операции выполняются
последовательно.
Увеличение масштабов производства, потребность в изготовлении
большого количества одних и тех же машин обусловили появление
универсальных станков-автоматов и полуавтоматов. Автомат — это
станок, автоматически и многократно выполняющий все рабочие и
холостые (вспомогательные) элементы цикла обработки детали, кроме
наладки. Полуавтомат — это станок с автоматическим циклом, повто-
ряемым с участием рабочего.
Особенностью станков-автоматов является высокая производи-
тельность. Например, токарный шестишпинделъный автомат может
заменить по производительности до 20 универсальных токарных стан-
ков с ручным управлением, что достигается совмещением вспомога-
тельных и рабочих операций, высокими скоростями выполнения всех
вспомогательных перемещений, большим числом одновременно рабо-
тающих инструментов.
Хотя станки-автоматы рассматриваемого вида и называют универ-
сальными, возможность их переналадки значительно ниже, чем стан-
ков с ручным управлением. Например, рабочий может устанавливать и
закреплять в шпинделе токарного станка одинаково просто как пруток,
так и штучные заготовки; в токарном автомате механизмы загрузки и
10
зажима, созданные для пруткового материала, не пригодны для штучных заготовок. Этим и объясняется большое разнообразие (и, соответственно, большое число типоразмеров) универсальных автоматов.
На станке с ручным управлением рабочий, закончив изготовление очередной детали, может сразу же приступить к изготовлению по другим чертежам совершенно иной детали. На универсальном станке-автомате такая переналадка занимает несколько часов, а подготовка к переналадке (проектирование и изготовление кулачков, копиров, разработка циклограмм и карт наладки) — несколько дней. Поэтому фактическая производительность автоматов в условиях мелкосерийного производства оказывается низкой.
Таким образом, универсальные автоматы и полуавтоматы наиболее эффективны в том производстве, где не требуются частые переналадки оборудования, т.е. в крупносерийном производстве.
Стремление максимально повысить производительность при больших масштабах производства привело к созданию специализированных и специальных станков-автоматов. Специализированными называются станки-автоматы, которые могут быть переналажены на обработку небольшой группы однотипных деталей (например, колец подшипников качения). Специальные станки-автоматы создаются для обработки одной-единственной детали (например, коленчатого вала). Узкая специализация такого оборудования приводит к значительному упрощению его компоновки, конструкции и системы управления.
Кроме того, проектируя станок-автомат для обработки любой конкретной детали, можно выбрать оптимальные технологический процесс и режимы резания, совместить операции, упростить наладку, управление и обслуживание, что позволяет обеспечить более высокую их производительность и эффективность по сравнению с универсальными автоматами в условиях крупносерийного и массового производств.
Однако развитие специализации станков-автоматов создаст противоречие между серийностью и гибкостью производства. Специализированное оборудование может применяться только при изготовлении таких деталей, конфигурация и размеры которых длительное время остаются неизменными.
При смене выпускаемого изделия большинство специализированного оборудования оказывается ненужным, несмотря на полную работоспособность. Это требует создания станков-автоматов иного типа, в которых могут сочетаться высокая производительность специальных
11
Глава 1. История инструментообеспечения
машиностроительных производств
Современное инструментообеспечение российского машиностроения
автоматов с широкими технологическими возможностями и с опреде-
ленной гибкостью; в то же время процесс проектирования, изготовле-
ния и освоения таких станков должен быть существенно сокращен.
Одним из методов решения поставленной задачи является уни-
фикация узлов (агрегатов), механизмов, деталей и систем управления
станков-автоматов, что и привело к созданию агрегатных станков. За
счет различных комбинаций унифицированных элементов можно бы-
стро создавать высокопроизводительные специализированные стан-
ки-автоматы самого различного технологического назначения. Ори-
гинальными в таких станках остаются только те узлы, конструкция
которых связана с индивидуальными особенностями обрабатываемых
деталей (шпиндельные коробки, зажимные приспособления), но и эти
узлы также собираются из унифицированных деталей.
Автоматические линии из агрегатных, специальных и универсаль-
ных станков-автоматов обеспечивают дополнительное (в несколько
раз) повышение производительности труда за счет автоматизации меж-
станочных транспортных операций, загрузки заготовок и выгрузки го-
товых деталей. Для обработки наиболее сложных и трудоемких деталей
машин применяются комплексы автоматических линий, в которые,
кроме металлорежущего оборудования, встраиваются контрольные
автоматы, моечные машины, агрегаты для термической обработки,
промышленные роботы, накопители, автоматы для клеймения и дру-
гое оборудование. В составе автоматических линий могут быть также
сборочные автоматы.
Для автоматических линий характерно расположение всего обо-
рудования в порядке последовательности операций технологическо-
го процесса, выполняемых без вмешательства человека (необходимы
лишь периодический контроль, наладка, профилактическое обслужи-
вание и устранение неполадок).
Внедрение в крупносерийное и массовое производство автомати-
ческих линий приводит к сокращению в 1,5...2 раза количества стан-
ков-автоматов и производственных площадей, способствует снижению
себестоимости и повышению качества продукции, сокращению дли-
тельности производственного цикла, уменьшению незавершенного
производства. Вместе с тем становится более стабильным качество из-
делий, повышается общая культура производства.
Автоматическим линиям присущи и недостатки. Прежде всего
это высокая трудоемкость, а иногда и невозможность переналадки ли-
нии на другую деталь (даже родственную) и тем более на другой тех-
12
нологический процесс. Имеют место также простои работоспособных станков, агрегатов и механизмов из-за неполадок в другом оборудовании, входящем в состав одной линии. Для обеспечения стабильности процесса обработки повышаются требования к качеству заготовок.
Длительное время автоматизация охватывала в основном крупносерийное и массовое производства, где создано и внедрено множество станков-автоматов, отдельных автоматических линий и их комплексов. Для серийного и тем более мелкосерийного производства, составляющего около 80% общего объема машиностроительного производства, такие средства автоматизации малоэффективны.
Для мелкосерийного и серийного машиностроения необходимы принципиально новые средства автоматизации, сочетающие в себе производительность и точность станков-автоматов с гибкостью универсального оборудования.
Основным методом решения указанной проблемы становится групповая технология, а основным оборудованием — станки и станочные комплексы с числовым программным управлением (ЧПУ).
Появление нового оборудования с ЧПУ, сочетающего высокую производительность, широкие технологические возможности и гибкость, стало переломным моментом в автоматизации серийного и мелкосерийного машиностроения, степень автоматизации которого традиционно отставала. Создание оборудования с ЧПУ можно считать одним из наиболее существенных достижений научно-технической революции в области станкостроения.
Предпосылки для создания высокоавтоматизированного гибкого оборудования с ЧПУ появились благодаря интенсивному развитию вычислительной техники, информатики (науки о структуре и свойствах информации), электроники и электроавтоматики. Станком, промышленным роботом, измерительной машиной, транспортными устройствами и многим другим оборудованием современного машиностроительного производства научились управлять с помощью чисел и знаков.
Обычный станок-автомат работает по программе, задаваемой распределительными валами, кулачками, копирами. Принципиальное отличие станка с ЧПУ от такого автомата заключается в задании программы обработки детали в числовой (символьной) форме. Символьные данные управляющей программы непосредственно, т.е. без промежуточного включения человека в качестве преобразователя информации, принимаются и отрабатываются автоматическими устройствами управления.
13
Глава 1. История инструментообеспечения
машиностроительных производств
Современное инструментообеспечение российского машиностроения
Для современного этапа развития станков с ЧПУ характер-
но резкое расширение их функциональных возможностей, повы-
шение уровня автоматизации и все более широкое применение
в системах управления мощных вычислительных средств (микро-
ЭВМ и микропроцессорной техники). Появилась новая разно-
видность металлорежущего оборудования — многоцелевые стан-
ки (их также называют обрабатывающими центрами, машинными
центрами).
В многоцелевых станках выражен новый подход к построению тех-
нологического процесса. С их помощью обеспечивается комплексная
обработка деталей различными видами инструмента без переустановок
или при минимальном их числе.
До появления многоцелевых станков металлорежущие станки соз-
давали применительно к одному из традиционных методов обработ-
ки: токарная группа станков — для токарной обработки, фрезерная
— для фрезерной и т. д. Этот принцип сохранялся во всех ранее вы-
пускавшихся станках универсального и специального видов, станках-
автоматах, станках с ЧПУ, а также в автоматических линиях. Поэтому
технологические процессы строили таким образом, что определенные
технологические операции выполнялись на станках соответствующей
технологической группы (например, расточные операции выполня-
лись на расточных станках).
Маршрутные технологические процессы обработки деталей сред-
ней сложности часто содержат десятки операций, а для сложных кор-
пусных деталей — сотни операций. Чтобы перейти от одной техноло-
гической операции к другой, приходилось каждый раз освобождать
деталь, снимать ее со станка и транспортировать на следующий станок,
где вновь производить установку (базирование), настройку на исход-
ные размеры и закрепление. Каждая переустановка обрабатываемой
детали непременно вносила свои погрешности в ее окончательные раз-
меры. Кроме того, детали совершали сложные перемещения по пред-
приятию, долго пролеживали у станков различных технологических
групп в ожидании обработки.
Таким образом, вместо общепринятого прежде подбора деталей
и отдельных операций к существующим станкам в настоящее время
проводится проектирование станков (многоцелевых), наиболее полно
удовлетворяющих технологическим требованиям групп деталей, подле-
жащих обработке. Большой выбор выполняемых на одном станке раз-
нородных операций (расточных, фрезерных, токарных, шлифовальных
14
и т. д.) меняет представление о традиционных технологических группах
станков.
Большие перспективы дальнейшего повышения производительности труда и эффективности имеет создание гибких производственных систем (ГПС), управляемых от ЭВМ. ГПС представляют собой совокупность оборудования с ЧПУ, роботизированных технологических комплексов, гибких производственных модулей, отдельных единиц технологического оборудования и систем обеспечения их функционирования в автоматическом режиме в течение заданного интервала времени.
Любая ГПС обладает свойством автоматизированной переналадки при производстве изделий произвольной номенклатуры в установленных пределах значений ее характеристик.
Роботизированный технологический комплекс (РТК) состоит из единицы технологического оборудования, промышленного робота и средств оснащения (устройств накопления, ориентации и поштучной выдачи изделий). РТК может функционировать автономно, осуществляя многократно циклы обработки. Если РТК предназначены для работы в составе ГПС, то они должны иметь автоматизированную переналадку и возможность встраивания в систему.
Гибкий производственный модуль (ГПМ) — это единица технологического оборудования для производства изделий произвольной номенклатуры в установленных пределах значений их характеристик, автономно функционирующая, автоматически осуществляющая все функции, связанные с производством изделий, и имеющая возможность встраивания в ГПС.
В общем случае в систему обеспечения функционирования ГПС входят: АТСС — автоматизированная транспортно-складская система; АСИО — автоматизированная система инструментального обеспечения; САК — система автоматизированного контроля; АСУО — автоматизированная система удаления отходов; АСУТП — автоматизированная система управления технологическими процессами; АСНИ — автоматизированная система научных исследований; САПР — система автоматизированного проектирования; АСТПП — автоматизированная система технологической подготовки производства.
По организационным признакам можно выделить три разновидности гибких производственных систем: ГАЛ, ГАУ и ГАЦ.
В гибкой автоматизированной линии (ГАЛ) технологическое оборудование расположено в принятой последовательности технологических операций.
15
Глава 1. История инструментообеспечения
машиностроительных производств
16 Современное инструментообеспечение российского машиностроения
Гибкий автоматизи-
рованный участок (ГАУ)
функционирует по тех-
нологическому маршруту,
в котором предусмотрена
возможность изменения
последовательности ис-
пользования технологи-
ческого оборудования.
В состав гибкого ав-
томатизированного цеха
(ГАЦ) входят в различных
сочетаниях гибкие авто-
матизированные линии, роботизированные технологические комплек-
сы, гибкие автоматизированные участки для производства изделий за-
данной номенклатуры.
Таким образом, ГПС — это организационно-техническая произ-
водственная система, позволяющая в условиях мелкосерийного, се-
рийного и, в отдельных случаях, крупносерийного многономенклатур-
ного производства заменить с минимальными затратами и в короткий
срок выпускаемую продукцию на новую. По сравнению со станками
с ручным управлением в условиях мелкосерийного производства на
станках с ЧПУ достигается повышение производительности в 5 раз;
в ГПС – до 7,5 раза; в автоматизированных цехах до 10 и более раз.
Области эффективного применения металлорежущего оборудова-
ния автоматизированных производств показаны на рис. 1.1.
1.2. Конструкции инструментальной оснастки
для автоматизированных производств
1.2.1. Инструментальная оснастка автоматических
линий
Широкое распространение в СССР, так же, как и за рубежом, получили
автоматические линии из агрегатных станков. Наличие стандартных,
одинаковых по габаритам узлов агрегатных станков, выполняющих
различные технологические операции, и удобная загрузка заготовок
в станки позволяют осуществить автоматическое транспортирование
деталей между агрегатными станками.
Рис. 1.1. Области эффективного применения
металлорежущего оборудования автоматизи-
рованных производств
Автоматические линии и агрегатные станки поставлялись Москов-
скому автомобильному заводу им. Лихачёва, АЗЛК, Камскому автомо-
бильному заводу, Горьковскому автозаводу, Ярославскому тракторному
заводу, Курскому заводу автозапчастей, Запорожскому автомобиле-
строительному заводу, заводу «Компрессор», Владимирскому трак-
торному и Волгоградскому моторному, Харьковскому тракторному и
Волжскому моторному заводам и другим.
При автоматизации наблюдение за состоянием режущего инстру-
мента, подналадкой его на размер, заменой в случае необходимости и
удаление стружки из зоны резания должны осуществлять автоматизи-
рованные устройства.
Вследствие этого одним из главных вопросов автоматизации яв-
ляется создание такой инструментальной оснастки, которая исключа-
ла бы необходимость вмешательства рабочего в течение определенно-
го времени работы.
Исследования, опытно-конструкторские и проектные работы, про-
веденные во ВНИИинструмент, ЭНИМС и Специальными конструк-
торскими бюро по проектированию автоматических линий (СКБ-1,
СКБ-6, СКБ-8), выявили основные направления в области разработ-
ки инструментальной оснастки для этого типа автоматизированного
производства.
Инструментальная оснастка автоматических линий должна пред-
ставлять комплекс и включать:
• режущий и вспомогательный инструмент с исполнительными
механизмами для регулировочных и восстановительных переме-
щений режущего инструмента по мере его износа;
Глава 1. История инструментообеспечения 17
машиностроительных производств
Рис. 1.2. Автоматическая линия ЛМ-423
Современное инструментообеспечение российского машиностроения
• приспособления для предварительной настройки инстру-
мента на размер с целью обеспечения его взаимозаменяе-
мости;
• измерительные и сигнализирующие устройства, информирую-
щие о состоянии режущего инструмента и подающие команды
на выполнение его регулировочных и восстановительных пере-
мещений;
• устройства для гарантированного формирования стружки,
не мешающей циклу автоматической обработки.
Степень необходимой интенсификации экономических скоро-
стей резания зависит от загрузки автоматизированного оборудования,
а от этого зависит выбор конструктивных вариантов инструменталь-
ной оснастки для той или иной операции. На лимитирующих опера-
циях должны применяться конструкции, обеспечивающие наибольшее
форсирование экономической скорости резания.
Потери времени работы оборудования, связанные с износом ин-
струмента, складываются из затрат времени на замену изношенного
инструмента, начальную наладку (настройку) и подналадку (размерное
регулирование) в течение периода стойкости инструмента.
Потери времени на замену инструмента сокращают путем приме-
нения быстросменного инструмента или автоматизацией его замены.
Потери времени на начальную наладку (настройку) сокращают безна-
ладочной заменой, т. е. путем применения взаимозаменяемого инстру-
мента или автоматической наладки его на станке.
Потери времени на подналадку (размерное регулирование) инстру-
мента в течение периода его стойкости снижают компенсационными
перемещениями инструмента. При отсутствии специальных регули-
ровочных устройств период размерной стойкости меньше периода
режущей стойкости. Поэтому бесподналадочная замена инструмента,
т. е. использование его до тех пор, пока размеры обрабатываемых дета-
лей остаются в пределах поля допуска, снижает длительность работы
инструмента без замены и не всегда является эффективной.
Взаимозаменяемость инструмента, полностью исключающая поте-
ри времени на наладку (настройку) инструмента на станке, достигается
более точным изготовлением инструмента или его предварительной
настройкой на размер на специальных приспособлениях вне станка.
При этом первые детали изготовляют с размерами, не выходящими за
пределы части поля допуска на систематическую погрешность установ-
ки и случайные погрешности обработки.
18
Практика показывает, что наибольшую точность замены обеспе-
чивает взаимозаменяемость, достигаемая применением регулируемого
инструмента. Инструмент можно настраивать в общем блоке и заме-
нять вместе с ним или настраивать индивидуально на специальных
приспособлениях с последующей заменой в державках.
Примером конструкций, обеспечивающих автоматическое заме-
щение изношенных участков режущей кромки новыми, являются по-
воротные головки с одинаковыми резцами, последовательно вводи-
мыми в работу по мере их износа. Такие головки представляют собой
сборный инструмент, смена которого производится после использо-
вания всех резцов. Стойкость инструмента увеличивается пропорцио-
нально количеству закрепляемых резцов.
Для замещения изношенных участков режущей кромки новыми
используются также резцы с круговой или прямолинейной режущей
кромкой. Рабочая длина режущих кромок таких резцов больше актив-
ной длины, участвующей в процессе резания. Поворачивая или пере-
двигая режущие кромки, замещают их изношенные участки новыми.
В автоматизированном производстве особое значение имеет фор-
мирование и удаление стружки, скопление которой может вызывать
перерывы в цикле автоматической работы станка. При неудовлетво-
рительном формировании стружки требуется систематическое вмеша-
тельство наладчика, что уменьшает норму обслуживания автоматов на-
ладчиками.
Завивание или дробление стружки с помощью накладных струж-
козавивателей, порожков или лунок на передней поверхности
не всегда обеспечивает надежное формирование стружки, не меша-
ющей циклу автоматической работы. Гарантированное формирова-
ние мелкой, легко удаляемой стружки обеспечивает разработанный
ВНИИинструмент способ ее кинематического дробления.
Сущность способа сводится к обеспечению такого относительного
перемещения инструмента, при котором контакт между главной режу-
щей кромкой и поверхностью резания периодически прерывается. При
непрерывной подаче суппорта режущему инструменту сообщается воз-
вратно-поступательное движение в направлении подачи, и в течение
каждого периода колебаний толщина среза становится переменной.
Форма и размеры стружки могут регулироваться изменением ампли-
туды и частоты колебаний в зависимости от скорости резания и пода-
чи. Способ кинематического дробления позволяет управлять размера-
ми стружки и получать при точении стружку, аналогичную фрезерной.
Глава 1. История инструментообеспечения 19
машиностроительных производств
Современное инструментообеспечение российского машиностроения
В условиях автоматизированного
производства способ кинематическо-
го дробления стружки необходимо
сочетать с другими конструктивны-
ми элементами инструментальной
оснастки (быстросменностью, вза-
имозаменяемостью и подналадкой
инструмента). Поэтому механизмы
для осуществления дополнительных
движений целесообразно встраивать
в инструментальную оснастку.
Пример такого решения для фор-
мирования мелкой стружки при про-
тачивании галтелей и подрезании
внутренних торцов внутренних колец
роликовых подшипников показан на рис. 1.3.
Быстросменные взаимозаменяемые фасонные резцы 1 тангенци-
ального типа устанавливают в мерные пазы. Подпружиненная планка
2 служит для крепления резцов. Толкатели 4, получающие возвратно-
поступательное движение от качающегося рычага механизма держав-
ки, попеременно выдвига-
ют резцы. Запрессованные
в корпусе державки пятки
3, на которые опираются
сферические головки ре-
гулировочных винтов рез-
цов, воспринимают танген-
циальную составляющую
силы резания. В качестве
охлаждающей среды ис-
пользован сжатый воздух,
который подается на режу-
щие кромки через штуцер,
каналы в державке и вы-
ходные отверстия.
В державке передне-
го суппорта (рис. 1.4) фа-
сочный 1 и галтельный 2
резцы радиального типа
20
Рис. 1.3. Державка верхнего суп-
порта с устройством для кинема-
тического дробления стружки
Рис. 1.4. Державка переднего суппорта
устанавливаются в мерный паз державки и поджимаются пружинами
к рычагу 3. Кулачок 4 поворачивает рычаг на небольшой угол, попере-
менно выдвигая резцы.
В рассмотренных конструкциях использован способ крепления
резцов силами резания, благодаря чему значительно уменьшены дви-
жущиеся массы, снижены инерционные силы и достигнуто независи-
мое перемещение резцов, расположенных в одной и той же державке.
Простои, вызываемые случайным (преждевременным) выходом
инструмента из строя, сокращаются применением устройств для ин-
формации о состоянии режущей кромки инструмента. Они разделя-
ются на устройства для предупредительной информации об износе
режущих кромок, которые используются для подачи команд на ав-
томатическое регулирование или замену инструмента. При неполной
автоматизации процесса обработки такие устройства останавливают
цикл и подают сигнал о необходимости вмешательства наладчика.
Устройства для информации о свершившейся поломке подают сиг-
налы на остановку процесса обработки или автоматическую замену ин-
струмента. Состояние режущих кромок определяется по длительности
работы инструмента, непосредственному и косвенному изменениям
износа.
Быстросменность инструмента обеспечивается совершенствовани-
ем методов его крепления и базирования, а также унификацией присо-
единительных поверхностей режущего и вспомогательного (зажимно-
го) инструмента.
Базирование инструмента должно быть таким, чтобы силы резания
воспринимались базовыми поверхностями вспомогательного инстру-
мента (резцедержавки), а элементы крепления инструмента были от
них разгружены. Назначение элементов крепления — прижать базовые
поверхности режущего инструмента к базовым поверхностям вспомо-
гательного инструмента.
Резцы устанавливают в закрытые пазы резцедержавок и обеспе-
чивают их вылет относительно резцедержавки на 3–5 мм, чтобы сила
резания R = Pz + Py проходила через опорную поверхность резцедержа-
вок (рис. 1.5, а). При этом державка резца не испытывает напряжений
изгиба, а следовательно, можно применять резцы меньшего сечения,
чем на универсальных станках. Крепление резцов осуществляют кли-
новидным сухарем, который затягивается винтом.
Значительно меньшее время для замены требуется при закреплении
резца клином, расположенным на подпружиненной тяге (рис. 1.5, б).
Глава 1. История инструментообеспечения 21
машиностроительных производств
Современное инструментообеспечение российского машиностроения
Клин 7 упирается в наклонную поверхность резца 2, выполненного
со стороны опорной поверхности резца 1. Паз под клин делается под
углом m относительно боковой поверхности резца. Такое выполнение
резца обеспечивает гарантированное касание боковой и опорной по-
верхности резца к соответствующим поверхностям резцедержателя
4, а также упора 3. Для замены резца достаточно рукояткой сдвинуть
тягу 5, и резец свободно снимается.
Быстросменность осевого инструмента обеспечивается примене-
нием цилиндрических хвостовиков с передачей крутящего момента
Рис. 1.5. Устройства для быстросменной бесподналадочной замены ин-
струмента
шпонкой (рис. 1.5, в). Винт 1 препятствует сдвигу инструмента при
его отводе по окончании обработки. При использовании стандартного
осевого инструмента с коническим хвостовиком применяют переход-
ные втулки (рис. 1.5, г), а также быстросменные патроны (рис. 1.5, е).
Крепление инструмента осуществляется шариком 1 при осевом пере-
мещении втулки 2 влево. При перемещении втулки вправо ее выточка
располагается против шарика, и инструмент можно свободно снять.
В случаях расположения в одной резцедержавке нескольких резцов
(см. рис. 1.5, а) точность их взаимного расположения обеспечивается
точным расположением пазов под резцы.
Бесподналадочная замена осевого инструмента достигается при-
менением регулировочных винтов, обеспечивающих получение тре-
буемой длины инструмента (см. рис. 1.5, в) или регулировочных гаек
(рис. 1.5, г), позволяющих получить необходимый вылет инструмента.
Настройка на размер инструмента вне станка осуществляется либо
в приспособлениях, либо на специальных приборах.
На рис. 1.5, 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 на-
стройки резцов ±0,01 мм погрешность диаметральных размеров дета-
лей составляет около 0,05 мм. На приспособлении упор для режущей
кромки резца представляет собой цилиндрическую поверхность с ра-
диусом R, равным радиусу обработки. Такое исполнение упора обе-
спечивает автоматическую компенсацию погрешности расстояния от
опорной поверхности до вершины резца.
Приведенные конструктивные решения быстросменной безподна-
ладочной замены инструмента обеспечивают снижение потерь времени
на замену и настройку инструмента, но предусматривают выполнение
этих операций наладчиком. Поэтому были разработаны устройства для
автоматической замены и подналадки инструмента (рис. 1.6), предна-
значенные для операций, для которых характерна низкая стойкость ин-
струмента, а остановка станка повлечет за собой остановку всей линии.
На рис. 1.6, а показана схема механизма для автоматической заме-
ны предварительно настроенных на размер резцов 1, помещенных в ма-
газин 2. При перемещении в гидроцилиндре 5 поршня 4 с толкателем
вправо очередной резец под действием силы тяжести попадает из мага-
зина на загрузочную площадку. В крайнем правом положении шток 7
поворачивает рычаг 8, перемещая ползун 6 с упором 9, передвигающим
Глава 1. История инструментообеспечения 23
машиностроительных производств
24 Современное инструментообеспечение российского машиностроения
изношенный резец вперед. Сферическая головка регулировочного
винта раздвигает подпружиненные шарики 10, и резец освобождается.
При перемещении поршня влево толкатель 3 передвигает резец с загру-
зочной площадки в мерный паз державки. Новый резец выталкивает
затупившийся в сборник изношенного инструмента. Подпружинен-
ные шарики 10 прижимают регулировочный винт к торцу толкателя,
который одновременно является упором.
На рис. 1.6, б приведена схема механизма автоматической замены
пальцевых фрез для закругления зубьев у шестерни.
После обработки заданного количества зубчатых колес счетчик ци-
клов включает соленоид 10, соединенный с зубчатой рейкой 9, поворачи-
вающей откидной рычаг 8 в положение, показанное на схеме. По окон-
чании рабочего цикла шпиндельная бабка 1 перемещается и рычаг 6,
передвигаясь по скосу откидного рычага 8, открывает цангу 2, закрепля-
ющую фрезу 3. При дальнейшем движении шпиндельной бабки толка-
тель 7 передвигает фрезы по трубе цанги, выталкивая изношенную фрезу
в сборник. В начале следующего цикла при перемещении шпиндельной
а
б
Рис. 1.6. Устройства для автоматической замены и подналадки инструмента
бабки в рабочую позицию рычаг 6 сходит с конической поверхности ры-
чага 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, обе-
спечивая точность осевого положения фрезы в пределах 0,1 мм.
Для повышения стойкости инструмента нашли применение кон-
струкции инструмента с подвижными круговыми режущими кромками
с принудительным (рис. 1.7, а) или самопроизвольным поворотом пла-
стин (рис. 1.7, б). При подводе суппорта резец 3 (см. рис. 1.7, а) с кру-
глой пластиной 4 касается обрезиненного ролика 1 с храповым механиз-
мом 2, и пластина поворачивается на угол, зависящий от дуги контакта
пластины с роликом. При отводе суппорта ролик свободно вращается.
1.2.2. Инструментальная оснастка станков с ЧПУ
Производительность станков с ЧПУ в значительной мере зависит
от технического уровня приспособлений для закрепления режущего
инструмента (вспомогательного инструмента – ВИ), как обеспечива-
ющих возможность сокращения всех составляющих штучно-калькуля-
ционного времени.
Конструкция ВИ определяется тем, что его присоединительные
поверхности соответствуют, с одной стороны, устройствам АСИ и за-
Глава 1. История инструментообеспечения 25
машиностроительных производств
а
б
Рис. 1.7. Резец (а) и фреза (б), оснащенные круглыми твердосплавными
пластинами
26 Современное инструментообеспечение российского машиностроения
крепления инструмента на станке, а с другой – всем многообразным
типам и типоразмерам присоединительных поверхностей режущего
инструмента. Количество присоединительных поверхностей для за-
крепления режущего инструмента только на одном ГПМ может до-
ходить до 200 типоразмеров. Поэтому для этих целей используют
унифицированные конструкции. Унификация типов ВИ осуществля-
ется путем использования принципа агрегатирования для взаимоза-
меняемости агрегатов между типами, моделями и группами станков
с ЧПУ.
Агрегатирование позволяет упростить производство ВИ, ускорить
его поставку по заказам и дает возможность пополнять запас инстру-
мента у потребителя с наименьшими затратами.
При выборе ВИ отдают предпочтение конструкциям со стандарт-
ными элементами, регламентированными стандартами ИСО, что обе-
спечивает взаимозаменяемость конструкций и снижает стоимость ин-
струмента. Применение стандартных элементов позволяет увеличить
объем однотипной продукции и использовать значительно более со-
вершенные технологические процессы и формы организации инстру-
ментального хозяйства, что приводит к снижению себестоимости ко-
нечной продукции.
Классификация инструментальной оснастки станков с ЧПУ при-
ведена на рис. 1.8.
Рис. 1.8. Классификация инструментальной оснастки станков с ЧПУ
27
Таблица 1.1. Основные размеры, мм, хвостовиков по ГОСТ 25827–2014,
исполнение 1
Таблица 1.2. Основные размеры, мм, хвостовиков по ГОСТ 25827–2014,
исполнение 3
Глава 1. История инструментообеспечения
машиностроительных производств
28 Современное инструментообеспечение российского машиностроения
Для станков сверлильно-расточной и фрезерной групп применяют
хвостовики с конусами конусностью 7:24. Стандартная конструкция по
ГОСТ 25827–2014, исполнение 1 (табл. 1.1) применяется на фрезерных
и расточных станках с ручной сменой инструмента. Для станков с ав-
томатической сменой инструмента (АСИ) используют хвостовики по
ГОСТ 25827–2014, исполнение 3 (табл. 1.2), имеющие тот же размер-
ный ряд, что и по DIN 2080, но отличающиеся трапецеидальной про-
точкой во фланце под захват устройства АСИ. Такое решение позволяет
унифицировать ВИ в производственных условиях, когда одновременно
используются станки с АСИ и с ручной сменой инструмента.
Хвостовики по ГОСТ 25827–2014, исполнение 2, соответствуют не-
мецкому стандарту DIN 69871/А+АD и стандарту ISO 7388/1 (табл. 1.3).
На многоцелевых станках также используют хвостовики по японскому
стандарту MAS 403 ВТ (табл. 1.4).
Соединение станка с инструментом влияет на свойства упругой тех-
нологической системы, а следовательно, и на качество обработки дета-
лей. Наличие микро- и макропогрешностей определяет качество этого
соединения.
Таблица 1.3. Основные размеры, мм, хвостовиков по ГОСТ 25827–2014,
исполнение 2
Конус
Микропогрешности, а именно шероховатость присоединительных
поверхностей, оказывают влияние на контактную податливость и демп-
фирование в соединении.
Макропогрешности в виде отклонений формы присоединительной
поверхности от идеальной, как в поперечном, так и в продольном сече-
нии, вызывают уменьшение фактической площади контакта поверхно-
стей и ухудшают их прилегание.
Основные погрешности сопрягаемых конических поверхностей:
а) отклонения от правильной окружности в поперечных сечениях – не-
круглость; б) отклонение об-
разующей от прямолинейно-
сти; в) отклонение угла кону-
са от номинального значения,
определяемое как допуск на
полуразность номинальных
диаметров dc и dd на длине
измерении Lр (рис. 1.9). При
этом предельное отклонение
всегда должно располагаться
Таблица 1.4. Основные размеры, мм, хвостовиков по стандарту MAS 403 ВТ
Глава 1. История инструментообеспечения
машиностроительных производств
Рис. 1.9. Параметры точности конусов ко-
нусностью 7:24 (угол конуса 8°17'50'')
30 Современное инструментообеспечение российского машиностроения
в «плюс». Значения предельных отклонений конуса конусностью 7:24 для
степени точности АТ4 приведены в табл. 1.5.
Дальнейшее повышение точности и жесткости закрепления за счет
точного базирования по конической поверхности конусностью 7:24 не-
целесообразно из-за низкой эффективности расходов на изготовление.
Поэтому существуют несколько вариантов усовершенствования кон-
струкций хвостовиков.
Для высокоскоростной обработки разработан ГОСТ Р 51547-2000
на хвостовики с обозначением HSK, что является аббревиатурой не-
мецкого названия Hohl Schäfte Kegel (Полый Конический хвосто-
вик). Стандарт включает в себя 6 типов хвостовиков 35 типоразмеров
(табл. 1.6).
Таблица 1.5. Величины предельных отклонений угла и формы поперечных
и продольных сечений конуса 7:24 по степени точности АТ3, мм
Обозначение
конусов 7:24
по ГОСТ
19860-93
Предельные отклонения
угла конуса формы
Величина На длине
Непрямо-
линейность
образующей
Некруглость
поперечных
сечений
Размеры хвостовиков HSK типов А и С приведены в табл. 1.7, хво-
стовиков В и D – в табл. 1.8, а хвостовиков Е и F – в табл. 1.9. Сопостав-
ление размеров хвостовиков HSK по ГОСТ Р 51547-2000 и хвостовиков
с конусом 7:24 по ГОСТ19860-93 приведено в табл. 1.10.
Глава 1. История инструментообеспечения
машиностроительных производств
Таблица 1.7. Размеры, мм, хвостовиков HSK типов А и С
d1 32 40 50 63 80 100 125 160
d2 24 30 38 48 60 75 95 120
l1 16 20 25 32 40 50 63 80
b1 7,05 8,05 10,54 12,54 16,04 20,02 25,02 30,02
d9 4,0 4,6 6,0 7,5 8,5 12,0 – –
l9 5,0 6,0 7,5 9,0 12,0 15,0 – –
f1 20 20 26 26 26 29 29 31
f5, не
менее
10 10 12,5 12,5 16 16 – –
Таблица 1.8. Размеры, мм, хвостовиков HSK типов В и D
d1 40 50 63 80 100 125 160
d2 24 30 38 48 60 75 95
l1 16 20 25 32 40 50 63
b1 10 12 16 18 20 25 32
d9 4,0 4,6 6,0 7,5 8,5 – –
l7 5,0 6,0 7,5 9,0 12,0 – –
f1 20 25 26 26 29 29 31
32 Современное инструментообеспечение российского машиностроения
Хвостовики HSK применяют на высокоскоростных станках с ча-
стотой вращения шпинделя более 10 000 мин–1. Основными областями
применения являются: чистовое фрезерование; изготовление пресс-
форм и штампов; внутреннее шлифование; сверление и высокоточное
развертывание, деревообработка и т.п.
В большинстве перечисленных операций необходим большой
вылет режущей части инструмента относительно торца шпинделя.
Так как центробежные силы возрастают с ростом частоты вращения,
то на большом вылете при смещении центра масс относительно
Таблица 1.9. Размеры, мм, хвостовиков HSK типов Е и F
Обозначение
хвостовика
d1 d2 d3 d4 f1 l1 l2 l3
HSK-E25 25 19 18,5 20 10 13 2,5 8,5
HSK-E32 32 24 23,27 26 20 16 3,2 7,3
HSK-E40 40 30 29,05 34 20 20 4,0 9,5
HSK-E50 50 38 36,90 42 26 25 5,0 11,0
HSK-F50 50 30 29,05 42 26 20 4,0 9,5
HSK-E63 63 48 46,53 53 26 32 6,3 14,7
HSK-F63 63 38 36,90 53 26 25 5,0 11,0
HSK-F80 80 48 46,53 67 26 32 6,3 14,7
Таблица 1.10. Сопоставление размеров хвостовиков
Хвостовик по
ГОСТ19860-93
Обозначение по ГОСТ Р 51547-2000
HSK A и С HSK B и D
–
30
40
45
50
HSK 40
HSK 50
HSK 63
HSK 80
HSK 100
HSK 50
HSK 63
HSK 80
HSK 100
HSK 125
33
оси вращения, эти силы способны деформировать инструмент и иска-
зить траекторию его движения.
Инструмент с большой массой может вызвать появление осевой со-
ставляющей центробежной силы, сопоставимой с силой закрепления
инструмента в шпинделе. Может произойти раскрепление инструмен-
та, нарушение его базирования, потеря жесткости и даже разрушение.
Поэтому необходима тщательная балансировка инструмента перед его
установкой в шпинделе высокоскоростного станка.
Современные токарные станки помимо наружного точения и обра-
ботки внутренних поверхностей, соосных с осью вращения заготовки,
имеют возможность сверлить и фрезеровать другие поверхности. Для
этого они снабжаются или специальным вспомогательным инструмен-
том, передающим крутящий момент от специальных приводов, или
оснащаются дополнительными шпинделями по типу фрезерных. Для
таких многооперационных станков возникает необходимость унифи-
цировать токарный и фрезерный инструмент за счет создания специ-
альных хвостовиков (см. раздел 7.2).
Для токарных станков с ЧПУ с револьверными головками рез-
цедержатели и вспомогательный инструмент для вращающего-
ся инструмента изготовляют с цилиндрическими хвостовиками
по ГОСТ 24900–81. Основные размеры резцедержателей приведены
в табл. 1.11.
Глава 1. История инструментообеспечения
машиностроительных производств
Таблица 1.11. Основные размеры, мм, цилиндрических хвостовиков для
станков токарной группы по ГОСТ 24900–81
Машиностроение – основа технологической, экономической и оборон-
ной независимости любого государства. Целью развития машинострои-
тельного производства является обеспечение устойчивого функциони-
рования и модернизация производственного потенциала всех отраслей
экономики. Удельный вес продукции машиностроения и металлообра-
ботки в общем объеме промышленности России достигает 20%.
От уровня машиностроения зависят важнейшие удельные показа-
тели экономики страны: обороноспособность государства, производи-
тельность труда, уровень экологической безопасности и промышлен-
ного производства, материалоемкость и энергоемкость ВВП.
Повышение технического уровня и качества продукции, а также
эффективности производства изделий машиностроения во многом
определяется опережающим развитием металлообработки. В свою оче-
редь эффективность процессов обработки металлов резанием в зна-
чительной степени зависит от качества инструмента как одного из основных
компонентов технологической системы.
Эффективное инструментальное обеспечение определяет уровень
производительных сил общества, обеспечивает внедрение достижений
научно-технического прогресса в области технологий и определяет
уровень производительности труда в промышленности.
Следствием внедрения современного инструментального обеспе-
чения в машиностроительное производство является существенный
рост его эффективности. Приоритетными направлениями использова-
ния потенциала инструментального обеспечения в отечественном ма-
шиностроении являются отрасли авиакосмического, энергетического
и транспортного машиностроения, оборонно-промышленного ком-
плекса и судостроения, сохраняющих конкурентные преимущества,
в том числе и на внешнем рынке.
В предлагаемой монографии впервые систематизирован обширный
теоретический и экспериментальный материал, касающийся вопросов
построения инструментальных систем, проектирования технологиче-
ских процессов, методов изготовления и эксплуатации инструмента
с повышенным ресурсом.
Основу монографии составляют исследования, проведенные
во Всесоюзном научно-исследовательском инструментальном инсти-
туте и в Московском государственном технологическом университете
«СТАНКИН».
ГЛАВА 1
ИСТОРИЯ
ИНСТРУМЕНТООБЕСПЕЧЕНИЯ
МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВ
Первое в России инструментальное производство, призванное обеспечить оружейников режущим инструментом и калибрами, было создано в г. Туле указом Петра I от 12 февраля 1712 года. За прошедшие с этого времени годы отечественное инструментальное производство прошло несколько этапов развития.
В настоящее время Россия, как и вся мировая экономика, в своем развитии прошла пять технологических укладов и приближается к шестому технологическому укладу. Ядро пятого уклада (1970 – н. в.) – электронная промышленность, вычислительная техника, оптико-волоконная техника, программное обеспечение, телекоммуникации. Шестой уклад будет основываться на биотехнологиях, нанотехнологиях, робототехнике, технологиях виртуальной реальности и др.1
Общим для всех технологических укладов является единый технический уровень составляющих его производств, связанных с горизонтальными и вертикальными потоками качественно однородных ресурсов, опирающихся на общие ресурсы квалифицированной рабочей силы и общий научно-технический потенциал.
Для современной России переход к шестому технологическому укладу в большой степени – вопрос технологического суверенитета, при котором должно быть обеспечено создание критических технологий, сквозных технологий и собственных линий разработок, жизненного цикла ключевых технических решений, созданы условия для обеспечения технологического паритета с иностранными государствами, а также самостоятельного производства высокотехнологичной продукции с применением указанных технологий.
Среди этих задач достижения технологического суверенитета России значительное место занимает создание и собственное производство автоматизированного оборудования критической номенклатуры,
1 Кузнецов А.П. Технологический суверенитет в станкостроении. Состояние и развитие // Станкоинструмент, №2 (035), 2024. – С. 34–56.
Современное инструментообеспечение российского машиностроения
режущего и вспомогательного инструмента и комплектующих к ним
на уровне мировых образцов такой продукции.
1.1. Виды оснащаемого оборудования
Исторически первым видом металлорежущего оборудования являются
станки с ручным управлением, которые постоянно совершенствуются
и дополнительно оснащаются отдельными средствами автоматизации.
Основные недостатки этих станков — низкая производительность и
выполнение квалифицированным рабочим всего необходимого цикла
управления работой станка.
Обычно технологический процесс изготовления детали на станке
позволяет одновременно закреплять заготовку, менять режущий ин-
струмент, устанавливать необходимые режимы резания. Но практиче-
ски на станке с ручным управлением все вспомогательные операции
выполняют последовательно. Аналогичная ситуация и с рабочими
операциями. В большинстве случаев технологический процесс обеспе-
чивается несколькими одновременно работающими инструментами,
однако при ручном управлении все рабочие операции выполняются
последовательно.
Увеличение масштабов производства, потребность в изготовлении
большого количества одних и тех же машин обусловили появление
универсальных станков-автоматов и полуавтоматов. Автомат — это
станок, автоматически и многократно выполняющий все рабочие и
холостые (вспомогательные) элементы цикла обработки детали, кроме
наладки. Полуавтомат — это станок с автоматическим циклом, повто-
ряемым с участием рабочего.
Особенностью станков-автоматов является высокая производи-
тельность. Например, токарный шестишпинделъный автомат может
заменить по производительности до 20 универсальных токарных стан-
ков с ручным управлением, что достигается совмещением вспомога-
тельных и рабочих операций, высокими скоростями выполнения всех
вспомогательных перемещений, большим числом одновременно рабо-
тающих инструментов.
Хотя станки-автоматы рассматриваемого вида и называют универ-
сальными, возможность их переналадки значительно ниже, чем стан-
ков с ручным управлением. Например, рабочий может устанавливать и
закреплять в шпинделе токарного станка одинаково просто как пруток,
так и штучные заготовки; в токарном автомате механизмы загрузки и
10
зажима, созданные для пруткового материала, не пригодны для штучных заготовок. Этим и объясняется большое разнообразие (и, соответственно, большое число типоразмеров) универсальных автоматов.
На станке с ручным управлением рабочий, закончив изготовление очередной детали, может сразу же приступить к изготовлению по другим чертежам совершенно иной детали. На универсальном станке-автомате такая переналадка занимает несколько часов, а подготовка к переналадке (проектирование и изготовление кулачков, копиров, разработка циклограмм и карт наладки) — несколько дней. Поэтому фактическая производительность автоматов в условиях мелкосерийного производства оказывается низкой.
Таким образом, универсальные автоматы и полуавтоматы наиболее эффективны в том производстве, где не требуются частые переналадки оборудования, т.е. в крупносерийном производстве.
Стремление максимально повысить производительность при больших масштабах производства привело к созданию специализированных и специальных станков-автоматов. Специализированными называются станки-автоматы, которые могут быть переналажены на обработку небольшой группы однотипных деталей (например, колец подшипников качения). Специальные станки-автоматы создаются для обработки одной-единственной детали (например, коленчатого вала). Узкая специализация такого оборудования приводит к значительному упрощению его компоновки, конструкции и системы управления.
Кроме того, проектируя станок-автомат для обработки любой конкретной детали, можно выбрать оптимальные технологический процесс и режимы резания, совместить операции, упростить наладку, управление и обслуживание, что позволяет обеспечить более высокую их производительность и эффективность по сравнению с универсальными автоматами в условиях крупносерийного и массового производств.
Однако развитие специализации станков-автоматов создаст противоречие между серийностью и гибкостью производства. Специализированное оборудование может применяться только при изготовлении таких деталей, конфигурация и размеры которых длительное время остаются неизменными.
При смене выпускаемого изделия большинство специализированного оборудования оказывается ненужным, несмотря на полную работоспособность. Это требует создания станков-автоматов иного типа, в которых могут сочетаться высокая производительность специальных
11
Глава 1. История инструментообеспечения
машиностроительных производств
Современное инструментообеспечение российского машиностроения
автоматов с широкими технологическими возможностями и с опреде-
ленной гибкостью; в то же время процесс проектирования, изготовле-
ния и освоения таких станков должен быть существенно сокращен.
Одним из методов решения поставленной задачи является уни-
фикация узлов (агрегатов), механизмов, деталей и систем управления
станков-автоматов, что и привело к созданию агрегатных станков. За
счет различных комбинаций унифицированных элементов можно бы-
стро создавать высокопроизводительные специализированные стан-
ки-автоматы самого различного технологического назначения. Ори-
гинальными в таких станках остаются только те узлы, конструкция
которых связана с индивидуальными особенностями обрабатываемых
деталей (шпиндельные коробки, зажимные приспособления), но и эти
узлы также собираются из унифицированных деталей.
Автоматические линии из агрегатных, специальных и универсаль-
ных станков-автоматов обеспечивают дополнительное (в несколько
раз) повышение производительности труда за счет автоматизации меж-
станочных транспортных операций, загрузки заготовок и выгрузки го-
товых деталей. Для обработки наиболее сложных и трудоемких деталей
машин применяются комплексы автоматических линий, в которые,
кроме металлорежущего оборудования, встраиваются контрольные
автоматы, моечные машины, агрегаты для термической обработки,
промышленные роботы, накопители, автоматы для клеймения и дру-
гое оборудование. В составе автоматических линий могут быть также
сборочные автоматы.
Для автоматических линий характерно расположение всего обо-
рудования в порядке последовательности операций технологическо-
го процесса, выполняемых без вмешательства человека (необходимы
лишь периодический контроль, наладка, профилактическое обслужи-
вание и устранение неполадок).
Внедрение в крупносерийное и массовое производство автомати-
ческих линий приводит к сокращению в 1,5...2 раза количества стан-
ков-автоматов и производственных площадей, способствует снижению
себестоимости и повышению качества продукции, сокращению дли-
тельности производственного цикла, уменьшению незавершенного
производства. Вместе с тем становится более стабильным качество из-
делий, повышается общая культура производства.
Автоматическим линиям присущи и недостатки. Прежде всего
это высокая трудоемкость, а иногда и невозможность переналадки ли-
нии на другую деталь (даже родственную) и тем более на другой тех-
12
нологический процесс. Имеют место также простои работоспособных станков, агрегатов и механизмов из-за неполадок в другом оборудовании, входящем в состав одной линии. Для обеспечения стабильности процесса обработки повышаются требования к качеству заготовок.
Длительное время автоматизация охватывала в основном крупносерийное и массовое производства, где создано и внедрено множество станков-автоматов, отдельных автоматических линий и их комплексов. Для серийного и тем более мелкосерийного производства, составляющего около 80% общего объема машиностроительного производства, такие средства автоматизации малоэффективны.
Для мелкосерийного и серийного машиностроения необходимы принципиально новые средства автоматизации, сочетающие в себе производительность и точность станков-автоматов с гибкостью универсального оборудования.
Основным методом решения указанной проблемы становится групповая технология, а основным оборудованием — станки и станочные комплексы с числовым программным управлением (ЧПУ).
Появление нового оборудования с ЧПУ, сочетающего высокую производительность, широкие технологические возможности и гибкость, стало переломным моментом в автоматизации серийного и мелкосерийного машиностроения, степень автоматизации которого традиционно отставала. Создание оборудования с ЧПУ можно считать одним из наиболее существенных достижений научно-технической революции в области станкостроения.
Предпосылки для создания высокоавтоматизированного гибкого оборудования с ЧПУ появились благодаря интенсивному развитию вычислительной техники, информатики (науки о структуре и свойствах информации), электроники и электроавтоматики. Станком, промышленным роботом, измерительной машиной, транспортными устройствами и многим другим оборудованием современного машиностроительного производства научились управлять с помощью чисел и знаков.
Обычный станок-автомат работает по программе, задаваемой распределительными валами, кулачками, копирами. Принципиальное отличие станка с ЧПУ от такого автомата заключается в задании программы обработки детали в числовой (символьной) форме. Символьные данные управляющей программы непосредственно, т.е. без промежуточного включения человека в качестве преобразователя информации, принимаются и отрабатываются автоматическими устройствами управления.
13
Глава 1. История инструментообеспечения
машиностроительных производств
Современное инструментообеспечение российского машиностроения
Для современного этапа развития станков с ЧПУ характер-
но резкое расширение их функциональных возможностей, повы-
шение уровня автоматизации и все более широкое применение
в системах управления мощных вычислительных средств (микро-
ЭВМ и микропроцессорной техники). Появилась новая разно-
видность металлорежущего оборудования — многоцелевые стан-
ки (их также называют обрабатывающими центрами, машинными
центрами).
В многоцелевых станках выражен новый подход к построению тех-
нологического процесса. С их помощью обеспечивается комплексная
обработка деталей различными видами инструмента без переустановок
или при минимальном их числе.
До появления многоцелевых станков металлорежущие станки соз-
давали применительно к одному из традиционных методов обработ-
ки: токарная группа станков — для токарной обработки, фрезерная
— для фрезерной и т. д. Этот принцип сохранялся во всех ранее вы-
пускавшихся станках универсального и специального видов, станках-
автоматах, станках с ЧПУ, а также в автоматических линиях. Поэтому
технологические процессы строили таким образом, что определенные
технологические операции выполнялись на станках соответствующей
технологической группы (например, расточные операции выполня-
лись на расточных станках).
Маршрутные технологические процессы обработки деталей сред-
ней сложности часто содержат десятки операций, а для сложных кор-
пусных деталей — сотни операций. Чтобы перейти от одной техноло-
гической операции к другой, приходилось каждый раз освобождать
деталь, снимать ее со станка и транспортировать на следующий станок,
где вновь производить установку (базирование), настройку на исход-
ные размеры и закрепление. Каждая переустановка обрабатываемой
детали непременно вносила свои погрешности в ее окончательные раз-
меры. Кроме того, детали совершали сложные перемещения по пред-
приятию, долго пролеживали у станков различных технологических
групп в ожидании обработки.
Таким образом, вместо общепринятого прежде подбора деталей
и отдельных операций к существующим станкам в настоящее время
проводится проектирование станков (многоцелевых), наиболее полно
удовлетворяющих технологическим требованиям групп деталей, подле-
жащих обработке. Большой выбор выполняемых на одном станке раз-
нородных операций (расточных, фрезерных, токарных, шлифовальных
14
и т. д.) меняет представление о традиционных технологических группах
станков.
Большие перспективы дальнейшего повышения производительности труда и эффективности имеет создание гибких производственных систем (ГПС), управляемых от ЭВМ. ГПС представляют собой совокупность оборудования с ЧПУ, роботизированных технологических комплексов, гибких производственных модулей, отдельных единиц технологического оборудования и систем обеспечения их функционирования в автоматическом режиме в течение заданного интервала времени.
Любая ГПС обладает свойством автоматизированной переналадки при производстве изделий произвольной номенклатуры в установленных пределах значений ее характеристик.
Роботизированный технологический комплекс (РТК) состоит из единицы технологического оборудования, промышленного робота и средств оснащения (устройств накопления, ориентации и поштучной выдачи изделий). РТК может функционировать автономно, осуществляя многократно циклы обработки. Если РТК предназначены для работы в составе ГПС, то они должны иметь автоматизированную переналадку и возможность встраивания в систему.
Гибкий производственный модуль (ГПМ) — это единица технологического оборудования для производства изделий произвольной номенклатуры в установленных пределах значений их характеристик, автономно функционирующая, автоматически осуществляющая все функции, связанные с производством изделий, и имеющая возможность встраивания в ГПС.
В общем случае в систему обеспечения функционирования ГПС входят: АТСС — автоматизированная транспортно-складская система; АСИО — автоматизированная система инструментального обеспечения; САК — система автоматизированного контроля; АСУО — автоматизированная система удаления отходов; АСУТП — автоматизированная система управления технологическими процессами; АСНИ — автоматизированная система научных исследований; САПР — система автоматизированного проектирования; АСТПП — автоматизированная система технологической подготовки производства.
По организационным признакам можно выделить три разновидности гибких производственных систем: ГАЛ, ГАУ и ГАЦ.
В гибкой автоматизированной линии (ГАЛ) технологическое оборудование расположено в принятой последовательности технологических операций.
15
Глава 1. История инструментообеспечения
машиностроительных производств
16 Современное инструментообеспечение российского машиностроения
Гибкий автоматизи-
рованный участок (ГАУ)
функционирует по тех-
нологическому маршруту,
в котором предусмотрена
возможность изменения
последовательности ис-
пользования технологи-
ческого оборудования.
В состав гибкого ав-
томатизированного цеха
(ГАЦ) входят в различных
сочетаниях гибкие авто-
матизированные линии, роботизированные технологические комплек-
сы, гибкие автоматизированные участки для производства изделий за-
данной номенклатуры.
Таким образом, ГПС — это организационно-техническая произ-
водственная система, позволяющая в условиях мелкосерийного, се-
рийного и, в отдельных случаях, крупносерийного многономенклатур-
ного производства заменить с минимальными затратами и в короткий
срок выпускаемую продукцию на новую. По сравнению со станками
с ручным управлением в условиях мелкосерийного производства на
станках с ЧПУ достигается повышение производительности в 5 раз;
в ГПС – до 7,5 раза; в автоматизированных цехах до 10 и более раз.
Области эффективного применения металлорежущего оборудова-
ния автоматизированных производств показаны на рис. 1.1.
1.2. Конструкции инструментальной оснастки
для автоматизированных производств
1.2.1. Инструментальная оснастка автоматических
линий
Широкое распространение в СССР, так же, как и за рубежом, получили
автоматические линии из агрегатных станков. Наличие стандартных,
одинаковых по габаритам узлов агрегатных станков, выполняющих
различные технологические операции, и удобная загрузка заготовок
в станки позволяют осуществить автоматическое транспортирование
деталей между агрегатными станками.
Рис. 1.1. Области эффективного применения
металлорежущего оборудования автоматизи-
рованных производств
Автоматические линии и агрегатные станки поставлялись Москов-
скому автомобильному заводу им. Лихачёва, АЗЛК, Камскому автомо-
бильному заводу, Горьковскому автозаводу, Ярославскому тракторному
заводу, Курскому заводу автозапчастей, Запорожскому автомобиле-
строительному заводу, заводу «Компрессор», Владимирскому трак-
торному и Волгоградскому моторному, Харьковскому тракторному и
Волжскому моторному заводам и другим.
При автоматизации наблюдение за состоянием режущего инстру-
мента, подналадкой его на размер, заменой в случае необходимости и
удаление стружки из зоны резания должны осуществлять автоматизи-
рованные устройства.
Вследствие этого одним из главных вопросов автоматизации яв-
ляется создание такой инструментальной оснастки, которая исключа-
ла бы необходимость вмешательства рабочего в течение определенно-
го времени работы.
Исследования, опытно-конструкторские и проектные работы, про-
веденные во ВНИИинструмент, ЭНИМС и Специальными конструк-
торскими бюро по проектированию автоматических линий (СКБ-1,
СКБ-6, СКБ-8), выявили основные направления в области разработ-
ки инструментальной оснастки для этого типа автоматизированного
производства.
Инструментальная оснастка автоматических линий должна пред-
ставлять комплекс и включать:
• режущий и вспомогательный инструмент с исполнительными
механизмами для регулировочных и восстановительных переме-
щений режущего инструмента по мере его износа;
Глава 1. История инструментообеспечения 17
машиностроительных производств
Рис. 1.2. Автоматическая линия ЛМ-423
Современное инструментообеспечение российского машиностроения
• приспособления для предварительной настройки инстру-
мента на размер с целью обеспечения его взаимозаменяе-
мости;
• измерительные и сигнализирующие устройства, информирую-
щие о состоянии режущего инструмента и подающие команды
на выполнение его регулировочных и восстановительных пере-
мещений;
• устройства для гарантированного формирования стружки,
не мешающей циклу автоматической обработки.
Степень необходимой интенсификации экономических скоро-
стей резания зависит от загрузки автоматизированного оборудования,
а от этого зависит выбор конструктивных вариантов инструменталь-
ной оснастки для той или иной операции. На лимитирующих опера-
циях должны применяться конструкции, обеспечивающие наибольшее
форсирование экономической скорости резания.
Потери времени работы оборудования, связанные с износом ин-
струмента, складываются из затрат времени на замену изношенного
инструмента, начальную наладку (настройку) и подналадку (размерное
регулирование) в течение периода стойкости инструмента.
Потери времени на замену инструмента сокращают путем приме-
нения быстросменного инструмента или автоматизацией его замены.
Потери времени на начальную наладку (настройку) сокращают безна-
ладочной заменой, т. е. путем применения взаимозаменяемого инстру-
мента или автоматической наладки его на станке.
Потери времени на подналадку (размерное регулирование) инстру-
мента в течение периода его стойкости снижают компенсационными
перемещениями инструмента. При отсутствии специальных регули-
ровочных устройств период размерной стойкости меньше периода
режущей стойкости. Поэтому бесподналадочная замена инструмента,
т. е. использование его до тех пор, пока размеры обрабатываемых дета-
лей остаются в пределах поля допуска, снижает длительность работы
инструмента без замены и не всегда является эффективной.
Взаимозаменяемость инструмента, полностью исключающая поте-
ри времени на наладку (настройку) инструмента на станке, достигается
более точным изготовлением инструмента или его предварительной
настройкой на размер на специальных приспособлениях вне станка.
При этом первые детали изготовляют с размерами, не выходящими за
пределы части поля допуска на систематическую погрешность установ-
ки и случайные погрешности обработки.
18
Практика показывает, что наибольшую точность замены обеспе-
чивает взаимозаменяемость, достигаемая применением регулируемого
инструмента. Инструмент можно настраивать в общем блоке и заме-
нять вместе с ним или настраивать индивидуально на специальных
приспособлениях с последующей заменой в державках.
Примером конструкций, обеспечивающих автоматическое заме-
щение изношенных участков режущей кромки новыми, являются по-
воротные головки с одинаковыми резцами, последовательно вводи-
мыми в работу по мере их износа. Такие головки представляют собой
сборный инструмент, смена которого производится после использо-
вания всех резцов. Стойкость инструмента увеличивается пропорцио-
нально количеству закрепляемых резцов.
Для замещения изношенных участков режущей кромки новыми
используются также резцы с круговой или прямолинейной режущей
кромкой. Рабочая длина режущих кромок таких резцов больше актив-
ной длины, участвующей в процессе резания. Поворачивая или пере-
двигая режущие кромки, замещают их изношенные участки новыми.
В автоматизированном производстве особое значение имеет фор-
мирование и удаление стружки, скопление которой может вызывать
перерывы в цикле автоматической работы станка. При неудовлетво-
рительном формировании стружки требуется систематическое вмеша-
тельство наладчика, что уменьшает норму обслуживания автоматов на-
ладчиками.
Завивание или дробление стружки с помощью накладных струж-
козавивателей, порожков или лунок на передней поверхности
не всегда обеспечивает надежное формирование стружки, не меша-
ющей циклу автоматической работы. Гарантированное формирова-
ние мелкой, легко удаляемой стружки обеспечивает разработанный
ВНИИинструмент способ ее кинематического дробления.
Сущность способа сводится к обеспечению такого относительного
перемещения инструмента, при котором контакт между главной режу-
щей кромкой и поверхностью резания периодически прерывается. При
непрерывной подаче суппорта режущему инструменту сообщается воз-
вратно-поступательное движение в направлении подачи, и в течение
каждого периода колебаний толщина среза становится переменной.
Форма и размеры стружки могут регулироваться изменением ампли-
туды и частоты колебаний в зависимости от скорости резания и пода-
чи. Способ кинематического дробления позволяет управлять размера-
ми стружки и получать при точении стружку, аналогичную фрезерной.
Глава 1. История инструментообеспечения 19
машиностроительных производств
Современное инструментообеспечение российского машиностроения
В условиях автоматизированного
производства способ кинематическо-
го дробления стружки необходимо
сочетать с другими конструктивны-
ми элементами инструментальной
оснастки (быстросменностью, вза-
имозаменяемостью и подналадкой
инструмента). Поэтому механизмы
для осуществления дополнительных
движений целесообразно встраивать
в инструментальную оснастку.
Пример такого решения для фор-
мирования мелкой стружки при про-
тачивании галтелей и подрезании
внутренних торцов внутренних колец
роликовых подшипников показан на рис. 1.3.
Быстросменные взаимозаменяемые фасонные резцы 1 тангенци-
ального типа устанавливают в мерные пазы. Подпружиненная планка
2 служит для крепления резцов. Толкатели 4, получающие возвратно-
поступательное движение от качающегося рычага механизма держав-
ки, попеременно выдвига-
ют резцы. Запрессованные
в корпусе державки пятки
3, на которые опираются
сферические головки ре-
гулировочных винтов рез-
цов, воспринимают танген-
циальную составляющую
силы резания. В качестве
охлаждающей среды ис-
пользован сжатый воздух,
который подается на режу-
щие кромки через штуцер,
каналы в державке и вы-
ходные отверстия.
В державке передне-
го суппорта (рис. 1.4) фа-
сочный 1 и галтельный 2
резцы радиального типа
20
Рис. 1.3. Державка верхнего суп-
порта с устройством для кинема-
тического дробления стружки
Рис. 1.4. Державка переднего суппорта
устанавливаются в мерный паз державки и поджимаются пружинами
к рычагу 3. Кулачок 4 поворачивает рычаг на небольшой угол, попере-
менно выдвигая резцы.
В рассмотренных конструкциях использован способ крепления
резцов силами резания, благодаря чему значительно уменьшены дви-
жущиеся массы, снижены инерционные силы и достигнуто независи-
мое перемещение резцов, расположенных в одной и той же державке.
Простои, вызываемые случайным (преждевременным) выходом
инструмента из строя, сокращаются применением устройств для ин-
формации о состоянии режущей кромки инструмента. Они разделя-
ются на устройства для предупредительной информации об износе
режущих кромок, которые используются для подачи команд на ав-
томатическое регулирование или замену инструмента. При неполной
автоматизации процесса обработки такие устройства останавливают
цикл и подают сигнал о необходимости вмешательства наладчика.
Устройства для информации о свершившейся поломке подают сиг-
налы на остановку процесса обработки или автоматическую замену ин-
струмента. Состояние режущих кромок определяется по длительности
работы инструмента, непосредственному и косвенному изменениям
износа.
Быстросменность инструмента обеспечивается совершенствовани-
ем методов его крепления и базирования, а также унификацией присо-
единительных поверхностей режущего и вспомогательного (зажимно-
го) инструмента.
Базирование инструмента должно быть таким, чтобы силы резания
воспринимались базовыми поверхностями вспомогательного инстру-
мента (резцедержавки), а элементы крепления инструмента были от
них разгружены. Назначение элементов крепления — прижать базовые
поверхности режущего инструмента к базовым поверхностям вспомо-
гательного инструмента.
Резцы устанавливают в закрытые пазы резцедержавок и обеспе-
чивают их вылет относительно резцедержавки на 3–5 мм, чтобы сила
резания R = Pz + Py проходила через опорную поверхность резцедержа-
вок (рис. 1.5, а). При этом державка резца не испытывает напряжений
изгиба, а следовательно, можно применять резцы меньшего сечения,
чем на универсальных станках. Крепление резцов осуществляют кли-
новидным сухарем, который затягивается винтом.
Значительно меньшее время для замены требуется при закреплении
резца клином, расположенным на подпружиненной тяге (рис. 1.5, б).
Глава 1. История инструментообеспечения 21
машиностроительных производств
Современное инструментообеспечение российского машиностроения
Клин 7 упирается в наклонную поверхность резца 2, выполненного
со стороны опорной поверхности резца 1. Паз под клин делается под
углом m относительно боковой поверхности резца. Такое выполнение
резца обеспечивает гарантированное касание боковой и опорной по-
верхности резца к соответствующим поверхностям резцедержателя
4, а также упора 3. Для замены резца достаточно рукояткой сдвинуть
тягу 5, и резец свободно снимается.
Быстросменность осевого инструмента обеспечивается примене-
нием цилиндрических хвостовиков с передачей крутящего момента
Рис. 1.5. Устройства для быстросменной бесподналадочной замены ин-
струмента
шпонкой (рис. 1.5, в). Винт 1 препятствует сдвигу инструмента при
его отводе по окончании обработки. При использовании стандартного
осевого инструмента с коническим хвостовиком применяют переход-
ные втулки (рис. 1.5, г), а также быстросменные патроны (рис. 1.5, е).
Крепление инструмента осуществляется шариком 1 при осевом пере-
мещении втулки 2 влево. При перемещении втулки вправо ее выточка
располагается против шарика, и инструмент можно свободно снять.
В случаях расположения в одной резцедержавке нескольких резцов
(см. рис. 1.5, а) точность их взаимного расположения обеспечивается
точным расположением пазов под резцы.
Бесподналадочная замена осевого инструмента достигается при-
менением регулировочных винтов, обеспечивающих получение тре-
буемой длины инструмента (см. рис. 1.5, в) или регулировочных гаек
(рис. 1.5, г), позволяющих получить необходимый вылет инструмента.
Настройка на размер инструмента вне станка осуществляется либо
в приспособлениях, либо на специальных приборах.
На рис. 1.5, 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 на-
стройки резцов ±0,01 мм погрешность диаметральных размеров дета-
лей составляет около 0,05 мм. На приспособлении упор для режущей
кромки резца представляет собой цилиндрическую поверхность с ра-
диусом R, равным радиусу обработки. Такое исполнение упора обе-
спечивает автоматическую компенсацию погрешности расстояния от
опорной поверхности до вершины резца.
Приведенные конструктивные решения быстросменной безподна-
ладочной замены инструмента обеспечивают снижение потерь времени
на замену и настройку инструмента, но предусматривают выполнение
этих операций наладчиком. Поэтому были разработаны устройства для
автоматической замены и подналадки инструмента (рис. 1.6), предна-
значенные для операций, для которых характерна низкая стойкость ин-
струмента, а остановка станка повлечет за собой остановку всей линии.
На рис. 1.6, а показана схема механизма для автоматической заме-
ны предварительно настроенных на размер резцов 1, помещенных в ма-
газин 2. При перемещении в гидроцилиндре 5 поршня 4 с толкателем
вправо очередной резец под действием силы тяжести попадает из мага-
зина на загрузочную площадку. В крайнем правом положении шток 7
поворачивает рычаг 8, перемещая ползун 6 с упором 9, передвигающим
Глава 1. История инструментообеспечения 23
машиностроительных производств
24 Современное инструментообеспечение российского машиностроения
изношенный резец вперед. Сферическая головка регулировочного
винта раздвигает подпружиненные шарики 10, и резец освобождается.
При перемещении поршня влево толкатель 3 передвигает резец с загру-
зочной площадки в мерный паз державки. Новый резец выталкивает
затупившийся в сборник изношенного инструмента. Подпружинен-
ные шарики 10 прижимают регулировочный винт к торцу толкателя,
который одновременно является упором.
На рис. 1.6, б приведена схема механизма автоматической замены
пальцевых фрез для закругления зубьев у шестерни.
После обработки заданного количества зубчатых колес счетчик ци-
клов включает соленоид 10, соединенный с зубчатой рейкой 9, поворачи-
вающей откидной рычаг 8 в положение, показанное на схеме. По окон-
чании рабочего цикла шпиндельная бабка 1 перемещается и рычаг 6,
передвигаясь по скосу откидного рычага 8, открывает цангу 2, закрепля-
ющую фрезу 3. При дальнейшем движении шпиндельной бабки толка-
тель 7 передвигает фрезы по трубе цанги, выталкивая изношенную фрезу
в сборник. В начале следующего цикла при перемещении шпиндельной
а
б
Рис. 1.6. Устройства для автоматической замены и подналадки инструмента
бабки в рабочую позицию рычаг 6 сходит с конической поверхности ры-
чага 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, обе-
спечивая точность осевого положения фрезы в пределах 0,1 мм.
Для повышения стойкости инструмента нашли применение кон-
струкции инструмента с подвижными круговыми режущими кромками
с принудительным (рис. 1.7, а) или самопроизвольным поворотом пла-
стин (рис. 1.7, б). При подводе суппорта резец 3 (см. рис. 1.7, а) с кру-
глой пластиной 4 касается обрезиненного ролика 1 с храповым механиз-
мом 2, и пластина поворачивается на угол, зависящий от дуги контакта
пластины с роликом. При отводе суппорта ролик свободно вращается.
1.2.2. Инструментальная оснастка станков с ЧПУ
Производительность станков с ЧПУ в значительной мере зависит
от технического уровня приспособлений для закрепления режущего
инструмента (вспомогательного инструмента – ВИ), как обеспечива-
ющих возможность сокращения всех составляющих штучно-калькуля-
ционного времени.
Конструкция ВИ определяется тем, что его присоединительные
поверхности соответствуют, с одной стороны, устройствам АСИ и за-
Глава 1. История инструментообеспечения 25
машиностроительных производств
а
б
Рис. 1.7. Резец (а) и фреза (б), оснащенные круглыми твердосплавными
пластинами
26 Современное инструментообеспечение российского машиностроения
крепления инструмента на станке, а с другой – всем многообразным
типам и типоразмерам присоединительных поверхностей режущего
инструмента. Количество присоединительных поверхностей для за-
крепления режущего инструмента только на одном ГПМ может до-
ходить до 200 типоразмеров. Поэтому для этих целей используют
унифицированные конструкции. Унификация типов ВИ осуществля-
ется путем использования принципа агрегатирования для взаимоза-
меняемости агрегатов между типами, моделями и группами станков
с ЧПУ.
Агрегатирование позволяет упростить производство ВИ, ускорить
его поставку по заказам и дает возможность пополнять запас инстру-
мента у потребителя с наименьшими затратами.
При выборе ВИ отдают предпочтение конструкциям со стандарт-
ными элементами, регламентированными стандартами ИСО, что обе-
спечивает взаимозаменяемость конструкций и снижает стоимость ин-
струмента. Применение стандартных элементов позволяет увеличить
объем однотипной продукции и использовать значительно более со-
вершенные технологические процессы и формы организации инстру-
ментального хозяйства, что приводит к снижению себестоимости ко-
нечной продукции.
Классификация инструментальной оснастки станков с ЧПУ при-
ведена на рис. 1.8.
Рис. 1.8. Классификация инструментальной оснастки станков с ЧПУ
27
Таблица 1.1. Основные размеры, мм, хвостовиков по ГОСТ 25827–2014,
исполнение 1
Таблица 1.2. Основные размеры, мм, хвостовиков по ГОСТ 25827–2014,
исполнение 3
Глава 1. История инструментообеспечения
машиностроительных производств
28 Современное инструментообеспечение российского машиностроения
Для станков сверлильно-расточной и фрезерной групп применяют
хвостовики с конусами конусностью 7:24. Стандартная конструкция по
ГОСТ 25827–2014, исполнение 1 (табл. 1.1) применяется на фрезерных
и расточных станках с ручной сменой инструмента. Для станков с ав-
томатической сменой инструмента (АСИ) используют хвостовики по
ГОСТ 25827–2014, исполнение 3 (табл. 1.2), имеющие тот же размер-
ный ряд, что и по DIN 2080, но отличающиеся трапецеидальной про-
точкой во фланце под захват устройства АСИ. Такое решение позволяет
унифицировать ВИ в производственных условиях, когда одновременно
используются станки с АСИ и с ручной сменой инструмента.
Хвостовики по ГОСТ 25827–2014, исполнение 2, соответствуют не-
мецкому стандарту DIN 69871/А+АD и стандарту ISO 7388/1 (табл. 1.3).
На многоцелевых станках также используют хвостовики по японскому
стандарту MAS 403 ВТ (табл. 1.4).
Соединение станка с инструментом влияет на свойства упругой тех-
нологической системы, а следовательно, и на качество обработки дета-
лей. Наличие микро- и макропогрешностей определяет качество этого
соединения.
Таблица 1.3. Основные размеры, мм, хвостовиков по ГОСТ 25827–2014,
исполнение 2
Конус
Микропогрешности, а именно шероховатость присоединительных
поверхностей, оказывают влияние на контактную податливость и демп-
фирование в соединении.
Макропогрешности в виде отклонений формы присоединительной
поверхности от идеальной, как в поперечном, так и в продольном сече-
нии, вызывают уменьшение фактической площади контакта поверхно-
стей и ухудшают их прилегание.
Основные погрешности сопрягаемых конических поверхностей:
а) отклонения от правильной окружности в поперечных сечениях – не-
круглость; б) отклонение об-
разующей от прямолинейно-
сти; в) отклонение угла кону-
са от номинального значения,
определяемое как допуск на
полуразность номинальных
диаметров dc и dd на длине
измерении Lр (рис. 1.9). При
этом предельное отклонение
всегда должно располагаться
Таблица 1.4. Основные размеры, мм, хвостовиков по стандарту MAS 403 ВТ
Глава 1. История инструментообеспечения
машиностроительных производств
Рис. 1.9. Параметры точности конусов ко-
нусностью 7:24 (угол конуса 8°17'50'')
30 Современное инструментообеспечение российского машиностроения
в «плюс». Значения предельных отклонений конуса конусностью 7:24 для
степени точности АТ4 приведены в табл. 1.5.
Дальнейшее повышение точности и жесткости закрепления за счет
точного базирования по конической поверхности конусностью 7:24 не-
целесообразно из-за низкой эффективности расходов на изготовление.
Поэтому существуют несколько вариантов усовершенствования кон-
струкций хвостовиков.
Для высокоскоростной обработки разработан ГОСТ Р 51547-2000
на хвостовики с обозначением HSK, что является аббревиатурой не-
мецкого названия Hohl Schäfte Kegel (Полый Конический хвосто-
вик). Стандарт включает в себя 6 типов хвостовиков 35 типоразмеров
(табл. 1.6).
Таблица 1.5. Величины предельных отклонений угла и формы поперечных
и продольных сечений конуса 7:24 по степени точности АТ3, мм
Обозначение
конусов 7:24
по ГОСТ
19860-93
Предельные отклонения
угла конуса формы
Величина На длине
Непрямо-
линейность
образующей
Некруглость
поперечных
сечений
Размеры хвостовиков HSK типов А и С приведены в табл. 1.7, хво-
стовиков В и D – в табл. 1.8, а хвостовиков Е и F – в табл. 1.9. Сопостав-
ление размеров хвостовиков HSK по ГОСТ Р 51547-2000 и хвостовиков
с конусом 7:24 по ГОСТ19860-93 приведено в табл. 1.10.
Глава 1. История инструментообеспечения
машиностроительных производств
Таблица 1.7. Размеры, мм, хвостовиков HSK типов А и С
d1 32 40 50 63 80 100 125 160
d2 24 30 38 48 60 75 95 120
l1 16 20 25 32 40 50 63 80
b1 7,05 8,05 10,54 12,54 16,04 20,02 25,02 30,02
d9 4,0 4,6 6,0 7,5 8,5 12,0 – –
l9 5,0 6,0 7,5 9,0 12,0 15,0 – –
f1 20 20 26 26 26 29 29 31
f5, не
менее
10 10 12,5 12,5 16 16 – –
Таблица 1.8. Размеры, мм, хвостовиков HSK типов В и D
d1 40 50 63 80 100 125 160
d2 24 30 38 48 60 75 95
l1 16 20 25 32 40 50 63
b1 10 12 16 18 20 25 32
d9 4,0 4,6 6,0 7,5 8,5 – –
l7 5,0 6,0 7,5 9,0 12,0 – –
f1 20 25 26 26 29 29 31
32 Современное инструментообеспечение российского машиностроения
Хвостовики HSK применяют на высокоскоростных станках с ча-
стотой вращения шпинделя более 10 000 мин–1. Основными областями
применения являются: чистовое фрезерование; изготовление пресс-
форм и штампов; внутреннее шлифование; сверление и высокоточное
развертывание, деревообработка и т.п.
В большинстве перечисленных операций необходим большой
вылет режущей части инструмента относительно торца шпинделя.
Так как центробежные силы возрастают с ростом частоты вращения,
то на большом вылете при смещении центра масс относительно
Таблица 1.9. Размеры, мм, хвостовиков HSK типов Е и F
Обозначение
хвостовика
d1 d2 d3 d4 f1 l1 l2 l3
HSK-E25 25 19 18,5 20 10 13 2,5 8,5
HSK-E32 32 24 23,27 26 20 16 3,2 7,3
HSK-E40 40 30 29,05 34 20 20 4,0 9,5
HSK-E50 50 38 36,90 42 26 25 5,0 11,0
HSK-F50 50 30 29,05 42 26 20 4,0 9,5
HSK-E63 63 48 46,53 53 26 32 6,3 14,7
HSK-F63 63 38 36,90 53 26 25 5,0 11,0
HSK-F80 80 48 46,53 67 26 32 6,3 14,7
Таблица 1.10. Сопоставление размеров хвостовиков
Хвостовик по
ГОСТ19860-93
Обозначение по ГОСТ Р 51547-2000
HSK A и С HSK B и D
–
30
40
45
50
HSK 40
HSK 50
HSK 63
HSK 80
HSK 100
HSK 50
HSK 63
HSK 80
HSK 100
HSK 125
33
оси вращения, эти силы способны деформировать инструмент и иска-
зить траекторию его движения.
Инструмент с большой массой может вызвать появление осевой со-
ставляющей центробежной силы, сопоставимой с силой закрепления
инструмента в шпинделе. Может произойти раскрепление инструмен-
та, нарушение его базирования, потеря жесткости и даже разрушение.
Поэтому необходима тщательная балансировка инструмента перед его
установкой в шпинделе высокоскоростного станка.
Современные токарные станки помимо наружного точения и обра-
ботки внутренних поверхностей, соосных с осью вращения заготовки,
имеют возможность сверлить и фрезеровать другие поверхности. Для
этого они снабжаются или специальным вспомогательным инструмен-
том, передающим крутящий момент от специальных приводов, или
оснащаются дополнительными шпинделями по типу фрезерных. Для
таких многооперационных станков возникает необходимость унифи-
цировать токарный и фрезерный инструмент за счет создания специ-
альных хвостовиков (см. раздел 7.2).
Для токарных станков с ЧПУ с револьверными головками рез-
цедержатели и вспомогательный инструмент для вращающего-
ся инструмента изготовляют с цилиндрическими хвостовиками
по ГОСТ 24900–81. Основные размеры резцедержателей приведены
в табл. 1.11.
Глава 1. История инструментообеспечения
машиностроительных производств
Таблица 1.11. Основные размеры, мм, цилиндрических хвостовиков для
станков токарной группы по ГОСТ 24900–81