Брянск, Брянская область, Россия
Брянск, Брянская область, Россия
Брянск, Брянская область, Россия
ГРНТИ 55.01 Общие вопросы машиностроения
ГРНТИ 55.13 Технология машиностроения
Рассмотрен опыт проектирования современного автоматизированного оборудования для решения производственной задачи обработки изделий из пластмасс. Показаны возможности применения современных конструкционных модулей при проектировании технологического станочного оборудования.
механическая обработка пластмасс, проектирование оборудования, модульность конструкции
Введение
В настоящее время в машиностроении и приборостроении все больше находят применение детали из неметаллических материалов, наиболее распространенными из которых являются полимерные композиционные материалы, в частности пластмассы. Широкому внедрению пластмасс способствуют их хорошие эксплуатационные характеристики, высокие электротехнические свойства, прочность, коррозионная стойкость, незначительный шум при работе, высокий уровень производительности труда при изготовлении деталей из них и низкие эксплуатационные расходы. Диапазон применения пластмасс широк: их используют как конструкционные, электроизоляционные, теплоизоляционные, фрикционные, антифрикционные, радиотехнические материалы в узлах и механизмах машин и приборов.
Пластмассы – это неметаллические материалы, состав и технология получения которых отличны от состава и технологии получения металлов. Детали из пластмасс изготовляют литьем, прессованием, штамповкой, формованием. При этом изменяются их размеры и форма вследствие усадки материала при остывании. Для получения заданных размеров и форм деталей заготовки дополнительно подвергают механической обработке резанием. При этом во многих случаях к таким деталям предъявляются высокие требования по обеспечению параметров качества поверхностного слоя, а также точности форм и размеров обрабатываемых поверхностей [1].
Изучением вопросов механической обработки пластмасс резанием занимались разные зарубежные и отечественные ученые: А. Кобаяши, Б.П. Штучный, В.И. Дрожжин, Н.В. Верезуб и др. Информация по обработке разных пластмасс, ранее наиболее распространенных в промышленности (стеклопластик, стеклотекстолит, текстолит, фторопласт, оргстекло и др.), встречается в литературе [2-6]. Однако технический прогресс порождает появление новых конструкционных материалов с комплексом новых свойств и технических характеристик. Новые материалы, с одной стороны, открывают широкие возможности для реализации новых конструкторско-технологических решений в передовых отраслях промышленности, а с другой стороны, требуют наличия современных технологий и оборудования для обработки изделий из этих материалов. Так, появляющиеся в последнее время новые виды пластмасс со специальными эксплуатационными свойствами трудно отнести к предложенным группам обрабатываемости резанием. Это требует проведения дополнительных исследований и выработки новых рекомендаций по их обрабатываемости, разработки новых технологий и оборудования для обеспечения заданных параметров качества поверхностного слоя и точности форм и размеров обрабатываемых поверхностей. Перечисленные вопросы подчеркивают актуальность исследований в этом направлении.
Постановка цели и задач работы
Примером деталей, изготовляемых из современных материалов – термопластмасс, являются изоляторы электрических соединителей.
Электрический соединитель (приборный разъем) – это электромеханическое устройство, предназначенное для механического соединения и разъединения вручную электрических цепей (проводов, кабелей, узлов и блоков) в различных видах электро- и радиоаппаратуры при выключенном источнике питания (рис. 1).
Соединитель состоит из двух частей (контакт-деталей) – вилки с закрепленными в ней контактными штырями и розетки, содержащей контактные гнезда. Основными элементами конструкции электрических соединителей являются: контакт-детали, изоляторы, корпусные детали и зажимные элементы.
Изоляторы предназначены для создания электрической изоляции между отдельными контактами, а также между контактами и металлическим корпусом в заданных условиях работы электрического соединителя. Общий вид некоторых изоляторов представлен на рис. 2.
Широкая номенклатура выпускаемых электрических соединителей обусловливает выпуск большой гаммы изоляторов, отличающихся размерами, конструктивным исполнением и используемыми материалами. Для изготовления изоляторов применяются следующие марки термопластмасс: Полиамид 66 конструкционный и стеклонаполненный; Тексан АПК-2 черный; Лексан 3412R; Макролон-8030; ДСВ-2-Л и др. Данные изоляторы после выполнения заготовительной операции подвергают механической обработке разрезанием с целью получения необходимого числа контактов в изоляторе электрического соединителя.
Механическую обработку изоляторов выполняют дисковыми фрезами на оборудовании, изготовленном собственными силами предприятия. Качество разрезанных изоляторов в большинстве случаев не соответствует требованиям по заданным параметрам шероховатости и точности. Проведенные предварительные исследования и анализ базовой технологии обработки изоляторов и используемого на разрезной операции оборудования позволили выявить ряд недостатков, приводящих к возникновению различных дефектов на обработанных поверхностях (сколы, вырывы и оплавления материала, большая и нестабильная величина заусенца, грубая шероховатость). Это требует дальнейшего выполнения слесарных операций по удалению брака, осуществляемых вручную, следствием чего являются низкая производительность, нестабильные качество и точность получаемых размеров и форм обработанных поверхностей изоляторов. Применение изоляторов из разных материалов с различными свойствами ведёт к дополнительной нестабильности формируемых параметров качества обработанных поверхностей. Всё это позволило сформулировать цель и задачи работы.
Цель работы – проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по совершенствованию технологии и оборудования для механической обработки изделий из пластмасс для обеспечения заданных параметров качества и точности обрабатываемых поверхностей.
Задачи работы:
1) провести информационный и патентный поиск материалов по изучаемым технологиям и оборудованию для обработки изделий аналогичного назначения;
2) спроектировать и изготовить лабораторное оборудование для проведения экспериментальных исследований по обработке образцов изоляторов;
3) провести экспериментальные исследования по установлению влияния условий обработки на формируемые параметры качества;
4) выполнить обработку результатов исследований и сформулировать рекомендации для совершенствования технологического процесса механической обработки изоляторов и проектирования необходимого оборудования;
5) спроектировать опытный образец автоматизированного станка и технологическую оснастку для реализации процесса механической обработки деталей изоляторов;
6) изготовить опытный образец автоматизированного станка и необходимую технологическую оснастку.
Для реализации поставленной цели и первых четырех задач был выполнен комплекс научно-исследовательских работ, основные результаты которых представлены в подготовленных публикациях [7; 8].
Проектирование оборудования
На основе проведенных исследований и информационного поиска было выполнено обоснование основных технических характеристик проектируемого станка и определена его наиболее рациональная компоновка. При проектировании учитывались принципы патентоспособности и патентной чистоты конструкции изделия. Это позволило разработать новое оригинальное компоновочное решение станка для обработки изоляторов (рис. 3).
В качестве привода главного движения использован электрошпиндель, который позволяет обеспечить компактность конструкции. При помощи преобразователя частоты на электрошпинделе реализуется бесступенчатое регулирование скорости главного движения (резания) в зависимости от обрабатываемого материала изоляторов в широком диапазоне.
При проектировании станка были выполнены необходимые проектировочные и проверочные расчеты элементов конструкции по основным критериям работоспособности. Это позволило определить основные размеры оригинальных элементов конструкции и комплектующих. При этом применялся агрегатно-модульный принцип конструирования машин, предполагающий широкое использование конструкционных унифицированных модулей, имеющих определённое функциональное назначение [9].
Для реализации привода поперечной подачи был применен готовый модуль линейных перемещений с комплектным сервоприводом. Такое решение также позволяет бесступенчато регулировать скорость подачи в широком диапазоне, обеспечивая требуемое качество реза.
Конструкции элементов приспособления, используемых для базирования заготовок электрических изоляторов различных типоразмеров, унифицированы и отсортированы по группам. Схема крепления приспособления клином позволяет реализовать модульность и быстросменность конструкции при наладке станка (рис. 4).
Для компенсации погрешностей, возникающих в размерах заготовок изоляторов из-за неравномерной их усадки в пресс-форме при изготовлении, а также последующем базировании в приспособлении для разрезки, предусмотрен механизм продольных микроперемещений стола с заготовкой относительно инструмента. Данное перемещение реализуется с помощью микрометрического винта. Контроль перемещений стола с заготовкой обеспечивается с помощью датчика линейных перемещений, встроенного в конструкцию механизма. Для визуализации контролируемого перемещения используется устройство цифровой индикации.
Общий вид и фотография спроектированного и изготовленного станка для разрезки изоляторов из пластмасс представлены на рис. 5. Станок имеет широкие возможности по переналадке на обработку заготовок различных типоразмеров; позволяет настраивать скорости главного движения (резания) и подачи в широких диапазонах, что даёт возможность проведения дальнейших исследований по определению оптимальных режимов резания при разрезке изоляторов из различных материалов.
Заключение
Применение спроектированного станка позволит обеспечить стабильность процесса разрезки изоляторов за счёт использования автоматической поперечной подачи вместо ручной, уменьшить объём ручных зачистных работ, повысив тем самым производительность процесса обработки и качество обработанных поверхностей.
Представленный материал является примером решения задач конструкторско-технологического обеспечения заданных параметров качества и точности форм и размеров обрабатываемых поверхностей деталей машин и приборов.
1. Шварц, О. Переработка пластмасс / О. Шварц, Ф. Эбелинг, Б. Фурт; под общ. ред. А.Д. Пани-матченко. - СПб.: Профессия, 2005. - 302 с.
2. Общемашиностроительные нормативы режимов резания, норм износа и расхода резцов, сверл и фрез при обработке неметаллических конструкционных материалов (пластмасс) / А.Д. Локтев [и др.]. - М.: НИИмаш, 1982. - 145 с.
3. Кобаяши, А. Обработка пластмасс резанием / А. Кобаяши. - М.: Машиностроение, 1974. - 192 с.
4. Штучный, Б.П. Механическая обработка пластмасс: справочник / Б.П. Штучный. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1987. - 152 с.
5. Дрожжин, В.И. Физические особенности и закономерности процесса резания слоистых пластмасс: автореф. дис. … д-ра техн. наук / В.И. Дрожжин. - Киев, 1983. - 39 с.
6. Верезуб, Н.В. Научные основы высокоэффективных процессов механической обработки полимерных композитов: автореф. дис. … д-ра техн. наук / Н.В. Верезуб. - Харьков, 1995. - 43 с.
7. Федонин, О.Н. Механическая обработка изделий из пластмасс / О.Н. Федонин, А.В. Хандож-ко, А.Н. Щербаков, Л.А. Захаров, Т.В. Гавриленко // Наукоёмкие технологии в машиностроении. - 2015. - № 6 (48). - С. 24-29.
8. Handozhko, А.V. Features of plastics edge cutting machining / А.V. Handozhko, А.N. Shcherbakov, L.A. Zaharov, Т.V. Gavrilenko / IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. - 124 (2016) 012155. - P. 1-6.
9. Бушуев, В.В. Практика конструирования машин: справочник / В.В. Бушуев. - М.: Машиностроение, 2006. - 448 с. - (Б-ка конструктора).
