Как испытывают станки с ЧПУ

В завершающей публикации материалов из учебника А.М. Гаврилина, В.И. Сотникова, А.Г. Схиртладзе и Г.А. Харламова «Металлорежущие станки» рассмотрим различные виды испытаний и исследований металлорежущих станков.

Исследование и испытание металлорежущих станков

При исследовании металлорежущих станков характерен системный подход. Объект исследования рассматривается как система, состоящая из элементов, взаимозависимых между собой, находящаяся в определенных условиях внешней среды. Исследование может проводиться постановкой натурного эксперимента на опытном образце станка или его прототипе. Это наиболее достоверные, но и наиболее труднозатратные исследования, к тому же связанные с использованием дорогостоящей измерительной аппаратуры.

Менее затратны исследования, связанные с построением математической модели поведения изучаемого объекта. Использование вычислительной техники позволяет всесторонне изучить объект исследования и получить более объемные результаты о поведении объекта исследования. Однако всегда присутствует вопрос: насколько разработанная математическая модель отражает реальное поведение натурного образца (проверка на адекватность).

В общем случае исследования проводят в следующей последовательности: формирование целей и задач исследований; анализ имеющейся информации о поведении станка-прототипа или аналогичного оборудования; анализ методов решения аналогичных задач с выбором наиболее оптимального метода; разработка математической модели; разработка методики проведения исследований; планирование и проведение экспериментов; обработка результатов исследования и разработка рекомендаций по улучшению технических характеристик проектируемого станка.

Так, в процессе проектирования нового серийно выпускаемого станка в техническом задании на проектирование оговорено требование повышения суммарной жесткости станка по отношению к станку-прототипу, который должен заменить проектируемый станок. В данном случае основным объектом исследования является станок-прототип. Для достижения поставленной цели здесь необходимо последовательно решить следующие задачи:

• определить баланс упругих перемещений и выявить слабые звенья несущей системы станка-прототипа;
• выявить факторы, влияющие на жесткость слабых звеньев и наиболее подходящий для этих условий метод решения;
• провести исследования математической модели, спланировав эксперименты и определив их граничные условия;
• на основе полученных результатов моделирования определить конструктивные параметры элементов несущей системы станка, обеспечивающие необходимое повышение жесткости. Правильность принятых решений, основанных на результатах
• проведенных исследований для серийно выпускаемых станков, определяется проведением испытания жесткости опытного образца станка.

Основными видами испытаний являются приемочные испытания опытных образцов новых моделей станков и приемосдаточные испытания серийно выпускаемых станков.

Приемочные испытания проводят для определения целесообразности серийного производства новой модели станка взамен ранее выпускаемой. В соответствии с существующими методиками приемочных испытаний различных типов металлорежущих станков предусмотрены три группы проверок: в статическом состоянии, на холостом ходу и в работе.

Проверки, предусмотренные типовыми методиками, в более полном объеме проводят в процессе проведения приемочных испытаний. Здесь нужна всесторонняя оценка качеств новой модели станка, чтобы сравнить их с устаревшей выпускаемой моделью и решить целесообразность замены выпускаемого станка новым.

Приемно-сдаточные испытания серийно выпускаемых станков на заводе изготовителе проводят в сокращенном виде в целях проверки их работоспособности и соответствия установленным требованиям.

Перед проведением испытаний станок подвергается внешнему осмотру, в процессе которого должны быть проверены: комплектность и соответствие отделки деталей станка требованиям технической документации на станок; качество сборки (рукоятки, рычаги переключателей, маховички); соответствие станка требованиям техники безопасности; удобство расположения органов управления станком (эргономические требования).

Приемочные испытания проводятся обычно в лабораторных условиях. Перед их проведением станок устанавливается и выверяется в горизонтальной плоскости с точностью: станки классов точности Н и П — 0,04 мм на длине 1 м, станки классов точности В, А, С — 0,02 мм на длине 1 м и подключается к сети электропитания.

После этого приступают к проверкам станка в статическом состоянии: проверка геометрической точности и жесткости, работоспособность электрооборудования станка. Проверка геометрической точности и жесткости является обязательными и для приемосдаточных испытаний серийно выпускаемых станков.

Проверка геометрической точности станка проводится согласно ГОСТам, разработанным для различных типов станков в зависимости от их технической характеристики и класса точности, в которых указаны необходимые проверки, методика их проведения, точностные возможности применяемого для проверок измерительного инструмента и приборов, предельные отклонения измеряемых параметров. Эту проверку рекомендуется проводить после обкатки станка (или поузловой обкатки) при жесткой регламентации температурного режима помещения, где проводится проверка геометрической точности станка (колебания температуры при номинальном значении 20 °С при проверке станков классов точности Н и П ±2 °С, станков классов точности В и А — ±1 °С, станков класса точности С — ±0,5 °С).

Проверка жесткости большинства типов станков также регламентирована соответствующими ГОСТами, в которых изложена методика проведения испытаний, приборы и установки для нагружения несущей системы станка и измерения деформаций этой системы, предельная величина нагружения. Проверка жесткости при проведении приемочных испытаний нередко сопровождается измерением деформации отдельных элементов, составляющих несущую систему станка, т.е. составляется баланс упругих перемещений этой системы. Баланс упругих перемещений позволяет установить податливость отдельных узлов в общей картине жесткости несущей системы станка и обозначить ее слабые звенья.

Для опытных образцов станков на этом этапе проверки также проверяют качество монтажа электрооборудования, качество изоляции силовых цепей, надежность защиты человека от поражения током, наличие заземления, надежность защиты силовых агрегатов от перегрузок и коротких замыканий.

Испытания в статическом состоянии завершает более тщательный анализ соответствия конструкции станка требованиям эргономики и технике безопасности (расположение органов управления, их дублирование, максимальные управляющие усилия, наличие кожухов, блокировки от случайных воздействий на органы управления).

Самым длительным и наибольшим по объему проверок является испытание станка на холостом ходу, которое включает в себя проверку правильности включения и работы основных узлов и механизмов станка, работоспособность систем смазки и охлаждения, гидропривода и т.д.

Главный привод проверяют на всех частотах вращения с реверсированием движения и проверкой длительности торможения (регламентирована ГОСТом по технике безопасности). С максимальной частотой вращения шпинделя станок должен проработать не менее 30 мин. При этом температура шпиндельных подшипников не должна превышать определенных значений установленных для станков различных классов точности (см. подразд. 17.4). Необходимо проверить и убедиться, что зубчатые передачи работают плавно, без стука и сотрясений, уровень шума на средних частотах не должен превышать 80 ДБ на расстоянии 5 метров от станка. Проверяется работоспособность тормозных устройств, фрикционных муфт, ременных передач и т.д.

Для станков с ЧПУ предусмотрены дополнительные проверки: определяется точность позиционирования при отработке подвижным узлом станка 1/5, 1/2 и 4/5 длины рабочего хода, точность отработки угла 5°, 26,5°, 45° и одиночных импульсов, проверяется также время автоматической смены инструмента.

Для станков со сложным формообразованием (зубообрабатывающих, резьбообрабатывающих и других станков) предусмотрена проверка кинематической точности цепей, обеспечивающих внутреннюю связь в сложном исполнительном движении (например, при нарезании резьбы резцом эту роль выполняет цепь резьбонарезания, которая согласует вращение нарезаемого винта с перемещением резца).

На этой стадии проверок у опытных образцов станков определяется мощность холостого хода и коэффициент полезного действия на всех частотах вращения привода главного движения.

Испытания станка при его работе проводятся в основном для определения его работоспособности при максимальных режимах обработки: при резании с максимальной мощностью, с максимальным крутящим моментом, с максимальной силой резания. Оценку результатов испытаний проводят по качеству обработанной поверхности, которая не должна иметь следов вибраций. В процессе этих испытаний проверяют работоспособность всех механизмов станка. Станки с ЧПУ проверяют на безотказность при обработке сложных деталей, форма которых предусматривает более полное использование возможностей проверяемого станка. Программа должна быть составлена на обработку детали в течение 2 ч для серийно выпускаемых станков и 4 ч для опытных образцов.

Испытание важнейшего критерия работоспособности станка виброустойчивости сводится к определению предельной снимаемой с обрабатываемой детали, стружки.

Предельная стружка определяется по сечению снимаемого слоя металла, которое в процессе испытания станка постепенно увеличивается (за счет увеличения глубины резания при постоянной подаче) до наступления неустойчивого резания (появления вибраций). Испытания проводятся на трех подачах и на различных частотах шпинделя станка. Итоговым результатом этих испытаний является построение графика границ устойчивости.

Приемо-сдаточные испытания серийно выпускаемых металлорежущих станков проводит служба качества завода-изготовителя для того, чтобы установить, соответствует ли проверяемый станок техническим условиям. Эти испытания имеют значительно меньший объем проверок, но обязательно включают в себя следующие из них:

• испытания станка в статическом состоянии предусматривает кроме внешнего осмотра проведение проверок геометрической точности и жесткости;
• в объем испытаний на холостом ходу (проверка правильности функционирования узлов и станка в целом, проверка уровня шума приводов, нагрев подшипников шпиндельного узла и механизма подач). Для станков со сложным формообразованием проводится проверка кинематической точности, а для станков с ЧПУ — исследование точности позиционирования;
• испытание станка в работе сводятся в основном к оценке качества обработанной на испытываемом станке детали-представителя (или партии деталей), определение уровня шума станка работающего с нагрузкой, проверка виброустойчивости по предельной стружке. Однако допускается замена указанных проверок другими, которые обеспечивают не меньшую точность оценки работоспособности станка.