Критерии работоспособности ,

где То—годовой фонд времени; Т = t_p + t_B— время цикла изготовления детали; t_p —время обработки деталей резанием; t_B —время на все виды вспомогательных операций, не совмещенных во времени с обработкой деталей.

При изготовлении разных деталей определяют среднее время изготовления ряда из них и находят производительность обработки "усредненной" детали.

Штучная производительность оборудования связана с годовым выпуском деталей коэффициентом использования станка ŋ_п,

показывающим долю времени работы оборудования в общем фонде времени:

где Т _р, Т_п —время работы и простоев соответственно.

Суммарное время простоя складывается из собственных простоев ∑Тс машины (например, связанных с ремонтом, сменой и регулиро­ванием инструмента и т.п.) и организационно-технических простоев,, ∑Топ за тот же период времени (отсутствие заготовок, несвоевремен­ный приход рабочего и т.п.).

Величину

(1.2)

называют коэффициентом технического использования станка, кото­рый характеризует долговечность, надежность механизмов, стабиль­ность техпроцесса (для станков с ЧПУ ŋ == 0,73).

Для сравнительной оценки оборудования иногда используют дру­гие условные показатели производительности.

Производительность формообразования измеряют площадью поверхности, обрабатываемой на станке в единицу времени.

Производительность резания определяет объем материала, сня­того с заготовки в единицу времени. Этот показатель используют для -' оценки черновой обработки или для сравнения различных техноло­гических способов размерной обработки.

Основные пути повышения производительности:

— рост технологической производительности за счет увеличения скорости резания, подачи, суммарной длины режущих кромок, участ­вующих в работе;

— совмещение рабочих и вспомогательных операций во времени (применение непрерывных методов обработки—бесцентрового шли­фования, накатки резьбы и т.п.);

— сокращение времени на вспомогательные движения (холостые ходы), например, за счет совершенствования приводов, увеличения скоростей ускоренных перемещений;

— уменьшение всех видов внецикловых потерь за счет приме­нения комплексной автоматизации. Например, автоматизация смены инструмента снижает потери времени на его замену.

Гибкость. Под гибкостью станочного оборудования понимается способность к быстрому переналаживанию для изготовления

других, новых деталей при допустимых затратах, Она определяет спо­собность производственной системы приспосабливаться к изменениям рыночной конъюнктуры (регулирование объема производства, соз­дание новых изделий).

При обычной механической обработке доля непроизводительного времени может достигать 95% общего времени нахождения детали в цехе. В гибком производстве с развитой системой управления непро­изводительные потери времени значительно уменьшаются. Это сокра­щает разрыв времени между заказом продукции и ее выпуском и позволяет свести к минимуму склады готовой продукции (рис. 1.2). Ка­чественная оценка гибкости складывается из следующих показателей.

Рис. 1.2. Влияние гибкости оборудования на ритмичность выпуска: а) и б) —соответст­венно обычный и гибкий участок механической обработки; J —склад готовых деталей; 2 — производство деталей; 3 —заказные детали; 4 —недополученные заказы деталей; N —количество деталей, т—время

Универсальность —способность обрабатывать резанием детали заданной номенклатуры Я без модернизации оборудования. Отно­шение годового выпуска N к номенклатуре деталей Я определяет серийность S = N/H.

Переналаживаемость определяется потерями времени и средств на переналадку станочного оборудования при переходе от одной пар­тии заготовок к другой. Переналаживаемость, являясь мерой гибкос­ти, зависит от числа Р партий деталей, обрабатываемых на оборудо­вании в течение года (совпадает с числом переналадок). При этом средний размер партии ŋ_Ср = N/P. При годовом выпуске деталей N

Н ≤ Р ≤ N.

Для каждого вида станочного оборудования существуют вполне определенные затраты на переналадку.

С увеличением числа деталей п в партиях затраты на переналад­ку снижаются, но при этом увеличиваются затраты на хранение заго­товок (незавершенное производство (рис. 1.3)).

образом, для каждого вида станочного оборудования су­ществует оптимальный размер партии л₀пт обрабатываемых деталей. Чем он меньше, тем большей гибкостью обладает оборудование.

Приспособляемость — способность оборудования обрабатывать различные детали сверх заданной номенклатуры посредством регулировок или путем самонастраи­вания.

Повторяемость — способ­ность обрабатывающей системы пов­торять ранее выполненные работы после завершения новой работы.

Адаптивность —способ­ность к восприятию изменений ус­ловий производства.
Рис. 1.3. Оптимизация размера партии _v

гибкого производства /-суммарные Косвенной количественной

затраты; 2—затраты на незавершенную оценкой гибкости может служить

продукцию; j-затраты „а переналадку _{отношение ПО}д_ГОТОвительнО за-

ключительного времени t_пз к суммарному штучно-калькуляционно­му ∑t шт.к. Чем меньше доля t_m, тем выше гибкость.

Надежность. Под надежностью станочного оборудования по­нимается свойство выполнять заданные функции (обрабатывать детали с требуемой точностью и производительностью), сохраняя свои эксплуа­тационные показатели в заданных пределах в течение требуемого проме­жутка времени. Нарушение работоспособности вызывается отказом.

Отказом называют случайное событие, заключающееся в выхо­де из строя какого-либо элемента или в нарушении работоспособности машины. При отказе продукция не выдается или является бракован­ной. Отказы могут быть связаны с разбросом параметров заготовок, потерей первоначальной точности станка из-за износа важнейших его деталей (направляющих, винтов).

Классификация отказов.

1. Постепенные (износные) отказы возникают вследствие ухуд­шения первоначальных параметров изделия. Чем дольше работало изделие, тем больше вероятность износных отказов (рис. 1.4,а). Такие отказы обычно подчиняются закону нормального распределения, для которого характерны два показателя—средняя наработка на отказ

tcp ⁼ 1/N ∑ t среднее квадратическое отклонение:

где No —число испытуемых элементов; t —наработка на отказ i-го

элемента.

2. Внезапные отказы возникают в результате неблагоприятного сочетания факторов и внешних воздействий (кривая 2 на рис. 1.4,6),

Рис.1.4. Характер изменения постепенных (а) и внезапных (б) отказов во времени t;

х —выходной параметр (например, точность); [х] —допустимое изменение выходного

параметра; 1 —кривая изменения выходного параметра; 2 —кривая вероятности

сочетаний случайных факторов, влияющих на выходной параметр

приводящих в какой-то момент времени т к резкому изменению харак­тера изменения выходного параметра (кривая 1). Основным призна­ком внезапного отказа является его независимость от длительности предыдущей работы изделия.

Интенсивность таких отказов (т.е. вероятность отказов в единицу времени) обычно постоянна, т.е. λ(t) = 1/tcp = const.

Вероятность безотказной работы подчиняется экспоненциально­му закону, для которого характерна равная надежность за любые одинаковые промежутки времени.

Средняя наработка на отказ: t_cp = 1/λ, среднее квадратическое

отклонение: σ = 1/λ.

В зависимости от последствий, вызываемых отказами, их можно разделить на отказы функционирования и параметрические.

Отказы функционирования (поломка, заклинивание и т.п.) приводят к тому, что станок не выполняет своих функций.

Параметрические отказы вызывают изменения выходных ха­рактеристик (параметров станка), превышающие допустимые нормы (например, точности). Параметрические отказы, связанные в основ­ном с износом, являются наиболее характерными для станков.

Показателями надежности являются безотказность, долговеч­ность и ремонтопригодность.

Безотказность станка (надежность в узком смысле слова) — свойство станка сохранять работоспособность в течение некоторого времени.

Вероятность отказа по результатам испытаний No элементов, из которых отказали Nт = No - Nи, a N_и оказались исправными, опре­деляют по формуле

Q(t) = Noт/No; (1.4)

вероятность безотказной работы

P(t) = 1 - Q(t) = Nи/N₀; ' (1.5)

интенсивность отказов

λ(t) = 1/ Nи*d Noт/dt

Представляя вероятность безотказной работы (1.5) в зависимости от интенсивности отказов (1.6), имеем:

P(t)=exp(-

При постоянной интенсивности к отказов вероятность безотказной работы выражается экспонентой . Вероятность безотказной работы станка как сложной системы, состоящей из п независимых эле­ментов, соединенных последовательно, представляют в виде

1 где Pi(t) —вероятность безотказной работы i-го элемента.

Долговечность станка— свойство сохранять работоспособность с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонта до предельного состояния (выход за пределы норм точности, средний и капитальный ремонт).

Ремонтопригодность станков —приспособленность к предуп­реждению, обнаружению и устранению неисправностей (отказов) путем технического обслуживания и ремонта.

Комплексным показателем надежности станков является ко­эффициент технического использования (1.2).

Отметим наиболее характерные пути повышения надежности.

1. Надежность в значительной степени определяется основной идеей машины: методом формообразования, компоновкой, кинема­тической структурой. Наиболее прогрессивны станки с непрерывными

(желательно простыми) процессом формообразования и движениями (обработка зубчатых колес методом обкатки, взамен метода единич­ного деления и т.п.).

2. Повышение стойкости станка к внешним и внутренним возмущениям (виброизоляция с помощью специальных фундаментов, применение бесконтактных опор, создание станков с минимальным
силовым воздействием, например, лазерная обработка и т.п.).

3. Применение механизмов, приспосабливающихся к изменя­ющимся условиям эксплуатации (самоустанавливающиеся и само­
смазывающиеся механизмы).

4. Диагностирование является эффективным средством повыше­ния надежности. При этом с помощью датчиков осуществляют непре­рывный сбор текущей информации о состоянии станка и его важнейших узлов и деталей. Полученные данные используют для корректировки условий эксплуатации станка.

Среди показателей технической характеристики наиболее зна­чимыми являются точность, силовые и скоростные параметры, метал­лоемкость, габариты рабочего пространства и другие.

Производительность станков существенно зависит от силовых параметров, к которым относятся мощность приводов, допустимые усилия резания, максимальный момент и т.п.

Увеличение мощности главного привода примерно пропорцио­нально повышает производительность, но при этом растет и металло­емкость. С учетом того, что в резании участвуют составляющие силы резания F_z в направлении скорости резания V и составляющие силы резания F_x в направлении подачи S, мощность, затрачиваемая на резание, запишется в следующем виде:

P = F_ZV+ F_XS = P_V + Ps.

Мощностью подачи Ps можно пренебречь. Мощность, а также допустимые усилия резания изменяются примерно линейно в зависи­мости от основного размера станка, а момент—примерно пропорцио­нально квадрату основного размера.

Для рационального назначения параметров силовых элементов станка (зубчатых колес, валов и др.) необходимо учитывать эффек­тивность использования станка у заказчика по мощности. Для этого можно пользоваться средней приведенной мощностью. Она определя­ется отношением электроэнергии, потребляемой станком в течение времени его работы, к этому времени и к номинальной мощности двигателя (по статистике для универсальных станков она составляет примерно 0,3).

Для улучшения использования вновь проектируемых станков по мощности нужно располагать сведениями о настоящих и будущих технологических задачах, стоящих перед потребителями станков. То же самое нужно учитывать для объективной оценки рабочего прост­ранства станка.

Точность. Точность станка непосредственно влияет на точ­ность изготовления деталей. Из пяти видов погрешностей, образу­ющихся на деталях,—погрешности размеров, отклонения расположения поверхностей, отклонения формы, волнистости и шеро­ховатости—на возникновение первых четырех станок влияет реша­ющим образом. На рис. 1.5 приведены наиболее характерные источники возникновения погрешностей в станках.

Среди погрешностей формообразования отметим ошибки, свя­занные с аппроксимацией δ траектории и интерполяцией; ошибки настройки ∆β (например, подбора колес гитары дифференциала при обработке косозубых колес); ошибки самого процесса формообразова­ния ∆f, в частности, при обработке зубчатых колес червячной фрезой.

Существенное влияние оказывают технологические погреш­ности, например, закрепления и базирования заготовки и инструмен­та. Смещение детали 1 на величину е при закреплении в патроне токарного станка; погрешность установки a1 детали 1на столе 2 станка и погрешность самого стола-спутника а2 при базировании, например на штифты 3 и 4, составляют значительную долю {до 50%) в общем балансе погрешностей.

Геометрические погрешности, связанные с изготовлением, сбор­кой, тепловыми и упругими деформациями, являются характерными для всех без исключения станков.

Погрешности изготовления вызывают биение шпинделя 1, по­грешности перемещения узлов и т.п. Температурные деформации д t стойки / от тепла Q шпиндельной бабки 2 могут составлять от 30 до 70% общей погрешности станка. Упругие деформации δу в первую очередь при изменении параметров (вылета шпинделя 1) носят боле стабильный характер, чем тепловые, и позволяют использовать раз личные эффективные методы для их компенсации.

Износ инструмента может оказать такое же влияние на точность, как и собственные геометрические погрешности станка. Использо­вание инструментов с малым размерным износом (синтетического, керамического) улучшает условия получения точности.

Погрешности позиционирования являются специфическими для станков с ЧПУ. Они определяют разность между требуемым и фактическим положениями узла при его перемещении. Здесь решаю­щее влияние оказывают привод, измерительная система, трение в направляющих перемещаемого узла.

Характер изменения скорости подачи S в процессе подхода к требуемой точке 1 из точки 2, динамические характеристики (соотно­шение собственных частот механической и электрической частей привода), тип привода (следящий, шаговый) оказывают влияние на точность. Тип датчика / обратной связи и место его установки сказы­ваются на погрешности позиционирования решающим образом. Ха­рактер изменения сил трения в направляющих и тяговых устройствах перемещаемых узлов, разброс (6σ) этих сил в области малых скоростей (при подходе к заданной точке) приводит к скачкообразному дви­жению и возникновению погрешности ∆х.

Кинематические ошибки характеризуют отклонение действительного передаточного отношения кинематической цепи от" заданного в любой момент времени.

Ошибки связаны в первую очередь с погрешностью δ изготовления винтов 1, зубчатых колес, с погрешностью е установки полумуфт 1 и 2, и т.п. Обеспечение кинематической точности особенно важно в зубо- и резьбообрабатывающих станках, делительных столах и т.п.

Динамические погрешности возникают от колебаний различных видов.

Вынужденные колебания, например, при дисбалансе е обрабаты­ваемой детали /; параметрические колебания, вызванные, например, различной податливостью δ и δ 1 колец подшипников различных типов в зависимости от угла поворота φ; автоколебания на собственной час­тоте с амплитудой А, например, при растачивании отверстия заго­товки 1 приводят к возникновению динамических ошибок.

Отметим наиболее распространенные пути повышения точности:

1) совершенствование метода формообразования;

2) применение компоновок, обеспечивающих более высокую точ­ность;

3) повышение геометрической точности деталей и узлов;

4) использование коррекционных механизмов (например, при обработке червячных колес);

5) применение адаптивных систем управления точностью.