Технология пятикоординатной механической обработки древесины, полимерных композиционных материалов и пластмасс и создание опытного образца обрабатывающего центра

Лесозаготовительное производство и лесное машиностроение

машину, должны в выключенном состоянии выдерживать проведение электросварочных работ на основном шасси машины.

Сервер хранения и обработки данных представляет собой персональный компьютер, оборудованный средствами доступа по беспроводной сети в формате, применяемом на мобильном терминале и средствами доступа через локальную сеть Ethernet. Сервер хранения данных работает под управлением ОС общего назначения Windows.

Средства визуализации результатов измерений предназначены для оперативного мониторинга работоспособности измерительной системы, могут быть использованы для предварительной оценки параметров работы лесозаготовительной машины. Инструмент визуализации представляет собой интерактивную программу, которая получает файлы данных измерений с лесозаготовительных машин и показывает на экране графики зависимости от времени всех измеренных параметров.

Отчеты, охватывающие, систематизирующие и визуализирующие накопленный массив статистики, включают следующие способы представления данных:

- гистограммы распределения параметров (пройденный путь и расход топлива по лесозаготовительным машинам);

- истории изменения параметров во времени (остаток топлива в баке или средний дневной пробег);

- корреляционные зависимости параметров (например, удельный расход топлива как функция нагрузки на инструмент, или связь дневного пробега с количеством изменений направления движения, или расход топлива от средней плотности лесозаготовительных машин на единицу площади);

- списки лесозаготовительных машин, отсортированные по произвольному параметру (например, список, отсортированный по расходу топлива или дневной выработке);

- карты местности с отображенными на ней статистическими свертками (например, среднее время нахождения на определенном участке местности, или средняя скорость движения на участке).

Итак, система учета работы лесозаготовительной машины позволяет оптимизировать затраты на эксплуатацию, оценивать эффективность ее использования и осуществлять контроль за предельными условиями эксплуатации.

Библиографический список

1. И.Н. Пугачев // Вопросы надежности пути и транспортных сооружений в суровых климатических условиях: межвуз. сб. науч. тр./ под ред. Г.М. Стояновича. - Хабаровск: ДВГУПС, 2004. -С. 139-144.

2. Власов, В.М. Информационные технологии на автомобильном транспорте / В.М, Власов, А. Б. Николаев, А. В. Постолит, В.М. Приходько. - МАДИ (Гос. тех. ун-т). - М.: Наука, 2006. - С. 283.

ТЕХНОЛОГИЯ ПЯТИКООРДИНАТНОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ обработки древесины, полимерных КОМПОЗИЦИОННЫХ материалов и пластмасс и создание опытного образца

обрабатывающего центра

В.А. КОНДРАТЮК, проф., ген. директор ФГУП «ГНЦЛПК», д-р экон. наук,

В.А. КОСАРЕВ, доц., зам. ген. директора ФГУП «ГНЦЛПК», канд. техн. наук

gnclpk@mail.ru в том числе древеснонаполненных композитов), древесины и пластмасс невелика. В настоящее время такие технологии востребованы, прежде всего, в мебельной промышленности и производстве столярных изделий, как например, при обработке мебельных фа-

Многокоординатная механическая обработка материалов

Рыночная доля технологий многокоординатной механической обработки полимерных композиционных материалов (ПКМ,

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2012

31

Лесозаготовительное производство и лесное машиностроение

садов, дверных полотен из древесины и плит МДФ. Также в незначительной степени они востребованы в ряде других производств при изготовлении изделий со сложной формой: художественных изделий, макетов, моделей литейных форм и т.п. И надо заметить, потребность в применении технологий многокоординатной обработки заметно возрастает с каждым годом.

Технологии многокоординатной обработки материалов относятся к наукоемкой области, оказывающей влияние на развитие механообработки и всего станкостроения, на появление новых высокоэффективных технологий производства продукции.

Области применения технологий пятикоординатной обработки ПКМ, древесины и пластмасс

Оборудование данного класса позволяет эффективно вести обработку объемных форм.

Основное отличие пятикоординатных обрабатывающих центров от трехкоординатных заключается в наличии поворотной фрезерной головки, подвижной в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях, которая позволяет производить обработку не только вертикально расположенным шпинделем (как у 3D-станков), но и при его расположении под любым углом к поверхности обрабатываемой детали.

Наличие двух дополнительных поворотных координат и установка системы ЧПУ с поддержкой пятикоординатной интерполяции позволяет обрабатывать такие изделия, которые невозможно (либо затруднительно) обработать на обычных трехкоординатных фрезерных станках с ЧПУ. При этом возможна обработка вертикальных поверхностей и глубоких поднутрений. Также появляется возможность сверления отверстий под различными углами.

Технологии пятикоординатной обработки в лесопромышленном комплексе России находят применение уже давно. В деревянном домостроении трех-, четырех- и пятикоординатные обрабатывающие центры используются для выполнения большого количества раз-

личных технологических операций, особенно по обработке деталей и элементов кровли и перекрытий. Обработка выполняется различными режущими инструментами: цепными и круглыми пилами, цилиндрическими и концевыми фрезами, сверлами.

Примером пятикоординатной обработки древесины для изготовления элементов деревянного домостроения являются технологические комплексы K2i, K3i и PBA фирмы Hundegger (Германия). Так, портальный пятиосевой обрабатывающий центр линии PBA имеет шпиндель мощностью 38 кВт и 11-позиционный магазин для автоматической смены инструментов. Он выполняет полный комплекс необходимых технологических операций фрезерования, пиления, сверления и пазования строительных панелей. Данный обрабатывающий центр имеет различные исполнения для обработки клееных и массивных панелей неограниченной длины шириной до 8 м и толщиной до 48 см.

Пятикоординатный центр комплексов K2i и K3i позиционно-проходного типа предназначен для выполнения всех видов присадочных операций и продольного профилирования длинномерных брусков и бруса сечением от 20 х 50 до 300 х 450 мм, а также оцилиндрованных бревен. Обработка осуществляется с использованием сменных фрез, сверл и пил соответствующих типоразмеров, размещенных в многопозиционном инструментальном магазине.

Модификация центра K3i отличается от K2i возможностью параллельного выполнения операций, что существенно сокращает полный цикл обработки деталей.

Обрабатывающие центры указанной фирмы оснащены программами ЧПУ, позволяющими устанавливать на шпинделе оптимальные обороты для используемых конкретных режущих инструментов. Это позволяет учесть их конструктивные и размерные характеристики и тем самым обеспечить высокое качество выполнения всех технологических операций обработки.

Основное применение технологии пятикоординатной обработки ПКМ, древесины и пластмасс находят в следующих областях.

32

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2012

Лесозаготовительное производство и лесное машиностроение

Мебельное и столярное производство

- изготовление сложных элементов и скульптурной резьбы мебели,

- изготовление элементов лестниц и

перил,

- изготовление простых деталей на одном станке без необходимости переустановки для обработки различных элементов заготовки.

Дизайн

- изготовление изделий для отделки интерьеров помещений и экстерьеров зданий,

- изготовление предварительных моделей и отдельных конструкционных элементов современных зданий,

- изготовление моделей обвеса автомобилей (автотюнинг),

- изготовление моделей для лепки и

литья.

Реклама

- объемные рекламные элементы,

- Изготовление объемных логотипов.

Судостроение

- изготовление пуансонов и матриц для корпусов яхт,

- изготовление различной судовой оснастки.

Быстрое прототипирование и моделирование

- изготовление прототипов автомобилей в натуральную величину,

- изготовление прототипов авиационной техники,

- изготовление различных концепт-изделий.

Изготовление сложных объектов по спецзаказам

В настоящее время потребность российских предприятий в выполнении пятикоординатной обработки закрывается в основном путем приобретения импортных центров.

Особенности осуществления технологий

пятикоординатной обработки

ПКМ, древесина и пластмассы - материалы с широким диапазоном варьирования показателей физико-механических и теплофизических свойств, прямо влияющих на обрабатываемость резанием. Практически ряд материалов для обработки на обрабатывающем центре (ОЦ) может включать от термопластичных до очень твердых и хрупких композитов, от легких газонаполненных полимеров до весьма специфичных анизотропных пород древесины.

К примеру, плотность этих материалов в 5-10, а некоторых газонаполненных полимеров и в сотню раз меньше плотности металлов и сплавов. В то же время другие свойства ПКМ, как твердость, прочность и т.п. часто находятся на уровне металлов.

Это разнообразие свойств рассматриваемых материалов предъявляет специфические требования к технологии их обработки резанием. Следовательно, и при разработке конструкции ОЦ, его инструментального оснащения необходимо учитывать специфику данных материалов. Техническая характеристика ОЦ должна позволять высокопроизводительно и качественно вести их механическую обработку.

Обработка ПКМ и пластмасс

Большинство материалов на основе полимеров хорошо поддается обработке резанием и может выполняться на обычном металлорежущем оборудовании. Однако скорость резания и скорость подачи, а также инструмент для их обработки должны быть другими в зависимости от свойств обрабатываемого материала. Следует учитывать также и температурный режим в зоне резания, так как возможны деформирование деталей, деструкция материала, выделение вредных газообразующих продуктов и пыли.

При обработке пластмасс рекомендуется увеличивать задний угол резца до 15-25°, резца с деталью, что приводит к быстрому износу режущей кромки резца и повышенному тепловыделению. Для материалов со сливной

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2012

33

Лесозаготовительное производство и лесное машиностроение

стружкой, например у термопластов, оптимальный передний угол у резца находится в пределах 10-20°. При обработке термореактивных материалов с ломкой стружкой передний угол выбирают в пределах 0-5°.

Скорость резания выбирают исходя из вида обрабатываемого материала и типа режущего инструмента. Для термопластов, обрабатываемых быстрорежущими резцами, скорость резания выбирается в диапазоне 1015 м/сек. Подача при черновой обработке составляет 0,3-0,6 мм/об, при чистовой - 0,050,2 мм/об. Глубина резания рекомендуется не более 2,5-3,0 мм. При обработке термореактивных материалов с дисперсными наполнителями скорость резания в зависимости от вида материала выбирается в диапазоне 2-8 м/сек, подача - до 0,3 мм/об.

От режимов обработки зависит не только производительность процесса, но и шероховатость поверхности, на которую наибольшее влияние оказывает подача. Чем меньше подача, тем меньше высота микронеровностей. При обработке термопластов устойчиво получается шероховатость в пределах Ra 2,5-10, а при чистовом - Ra 0,63-1,25 мкм. При обработке термореактивных материалов шероховатость достигается в пределах Ra 2,5-10 мкм. Меньшей шероховатости можно достичь лишь при обработке алмазным инструментом. Его особенно целесообразно применять при обработке оргстекла с целью сохранения полной прозрачности обрабатываемого материала.

При выборе фрез для обработки ПКМ и пластмасс, в отличие отобработки металла, исходят из следующих условий. Фрезы должны иметь по возможности меньшее число зубьев, так как существует необходимость увеличения объема стружечных канавок. Большой угол наклона главных режущих кромок к оси фрезы - для обеспечения плавности работы и снижения ударной нагрузки на резцы. Передний угол обычно выбирается в диапазоне 10-15°.

При обработке термопластичных материалов угол наклона зубьев к оси фрезы выбирается равным 20-25°, при заточке допускается фаска на задней поверхности зубьев размером

до 0,03 мм. При необходимости зона резания охлаждается дополнительно струей воздуха. Фрезы изготавливаются из быстрорежущей стали или из твердых сплавов.

Для обработки реактопластов используют фрезы из быстрорежущей стали или с твердосплавными пластинами. Применяют обычно фрезы с углом наклона спирали 4550°. Использование фрез с наклонным зубом обеспечивает плавность ее врезания в материал и уменьшает количество образуемой при обработке пыли.

Слоистые пластики, армированные стекло- и асбоволокном, углеродными волокнами, обрабатывают фрезами с твердосплавными пластинами при скоростях резания 2-5 м/сек и подачах 0,1—0,3 мм/зуб. При хлопчатобумажных наполнителях - V=5 - 10 м/сек и подаче 0,3-0,5 мм/зуб.

Плоскости и уступы обрабатываются торцовыми фрезами с твердосплавными пластинами.

Для обработки фасонных поверхностей деталей применяются фасонные фрезы. При обработке слоистых материалов такими фрезами рекомендуется скорость резания не более 5 м/сек при подаче 0,03-0,08 мм/зуб.

Сверление термопластичных материалов может производиться сверлами как из быстрорежущей стали, так и оснащенными твердосплавными пластинами. Сверлами из быстрорежущей стали сверлятся отверстия небольшого диаметра и в реактопластах. Отверстия диаметром более 5 мм в стекло- и асбонаполненных пластмассах обрабатывают твердосплавными сверлами. Скорость резания составляет 1-2 м/сек, а подача - 0,05-0,1 мм/об. Отверстия диаметром более 10 мм необходимо предварительно обработать сверлом диаметром 5 - 6 мм, а затем рассверлить их большими сверлами.

Обработка древесных материалов

Сопротивление древесины резанию обусловливается ее породой и направлением резания. В зависимости от расположения волокон древесины виды резания подразделяются на торцевое, продольное, поперечное и под углом. Вид резания определяет соотно-

34

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 8/2012

Лесозаготовительное производство и лесное машиностроение

шения сил резания: сопротивление резанию вдоль направления волокон в 2-3 раза, а по торцу в 6 раз выше, чем при резании в поперечном направлении. Сила резания также зависит от угла резания и остроты режущей кромки. При затуплении резца возникают деформации, смятие волокон, сопровождаемые действием сил упругого восстановления, которые могут достигать уровня силы резания (для затупленного резца). Шероховатость обработанной поверхности снижается с уменьшением угла резания, толщины стружки и с увеличением скорости резания.

Обработку древесины производят на ОЦ тем же набором режущих инструментов, что и ПКМ. Используются как цилиндрические и фасонные фрезы, крепящиеся на цилиндрической оправке в шпинделе станка, так и концевые, крепящиеся непосредственно в шпинделе станка.

Параметры инструментов близки к рекомендуемым для обработки ПКМ. Основное отличие процессов обработки данных материалов заключается в рекомендации вести обработку древесины на более высоких - повышенных до 20-30 м/сек - скоростях резания. Это положительно отражается на качестве обработки и позволяет снизить удельные энергозатраты на единицу объема снимаемого припуска. Также для предварительной (черновой) обработки допускается применять, при условии использования соответствующих фрез, более высокие величины подачи - до 0,2-0,3 мм/об. При чистовой обработке концевыми фрезами подача на 1 оборот составляет 0,03-0,08 мм.

Скорость вращения шпинделя задается в основном из расчета получения линейной скорости резания более 10 м/сек. Отсюда, с учетом типоразмерного ряда применяемых режущих инструментов, определяются и параметры рабочей головки по диапазону бесступенчато регулируемых скоростей вращения шпинделя.

Из-за волокнистого строения и анизотропии механических свойств древесины для выполнения отверстий (особенно в направлении поперек волокон) часто применяют сверла с подрезателями и направляющим

центром. Подрезатель перерезает волокна, режущая кромка их скалывает. Для предотвращения увода сверла в сторону служит направляющий центр. Для глубокого сверления вдоль волокон применяют ложечные и спиральные сверла, для выполнения отверстий под головки болтов, винтов, шурупов используют раззенковочные сверла. Сверление древесины производят при частоте вращения 3-10 тыс. об/мин с подачей 0,1 - 0,3 мм/об для твердых пород и фанеры, 0,5-2,0 мм/об для мягких пород древесины.

Расчет сил и мощности резания при обработке ПКМ, древесины и пластмасс

на пятикоординатном Центре

Самые большие усилия, воздействующие на шпиндель при обработке, будут иметь место при условии полного использования его установленной мощности.

На пятикоординатных ОЦ обработка ведется в основном различными концевыми фрезами. Из рассмотрения схемы обработки такими инструментами следует вывод, что на шпиндель при фрезеровании воздействуют крутящий моменти в незначительной степени радиальная и осевая силы (последние могут возникать, менять направление и величину при резании по мере нарастания затупления или, иными словами, потери остроты режущих кромок фрезы. Они также зависят от режима обработки - от толщины снимаемой стружки, типа и параметров фрезы). Из-за малости значений последние не рассматриваются в расчете сил и мощности резания ОЦ. Таким образом, при конструировании и расчете шпинделя, его жесткости и прочности учитывают в первую очередь мощность привода.

Радиус окружности резания при фрезеровании концевыми фрезами типа универсальных или со сферическим, профильным или коническим концом находится в диапазоне от 0 до величины, равной наибольшему радиусу режущей части фрезы. Отличительная особенность фрезерования такими фрезами состоит в том, что каждая точка режущих кромок фрезы имеет свои радиус резания, глубину резания, толщину стружки, угол ре-

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 8/2012

35

Лесозаготовительное производство и лесное машиностроение

зания, угол встречи с волокнами материала, передний и задний углы резания.

На практике нагрузки на шпиндель имеют несколько меньшие, чем установленная электрическая мощность значения в связи с тем, что обработка ведется с неполным использованием всей его мощности. Критерием для назначения режимов фрезерования является в основном величина скорости резания: чем выше скорость резания, тем лучше качество обработки и ниже расход мощности.

Для оптимизации использования технических возможностей ОЦ с обеспечением достижения желаемых результатов по производительности и качеству его работы рекомендуется пользование результатами соответствующих научных исследований. Так, зная расчетные величины удельной работы резания по снятию единицы объема стружки К, дж/см3, при определенных условиях фрезерования в зависимости от угла встречи резца фрезы с древесиной и от средней толщины снимаемой стружки можно обоснованно задавать определенные параметры режима обработки (Л.2).Как было установлено автором Н.А. Кряжевым, в диапазоне практических значений параметров инструмента и показателей обрабатываемого материала удельная работа резания при фрезеровании древесины может различаться в 5-8 раз, в зависимости от конкретных показателей указанных переменных факторов процесса.

В итоге это позволит повысить показатели работы дорогостоящего технологического оборудования и гарантированно получать нужные качество и точность обработки.

Обоснование потребности разработки и создания специального обрабатывающего центра для механообработки ПКМ, древесины и пластмасс.

Пятикоординатная обработка за 1 ус-танов на данном этапе развития технического прогресса становится стандартной возможностью организации и осуществления производственных процессов, особенно в оборонном комплексе, машиностроении и в производстве изделий из ПКМ, древесины и пластмасс. Этому способствует и разнообразие типоразмеров предлагаемых промышленностью режущих

инструментов и инструментальной оснастки, что позволяет разнообразить варианты исполнения технологического оборудования с целью получения более быстрых, точных и интегрированных процессов обработки. Интеграция различных производственных процессов в обрабатывающих центрах сокращает производственные циклы и снижает расходы на изготовление изделий.

Для различных процессов механической обработки возможно подобрать соответствующий универсальный инструмент, заменяющий несколько простых. Это способствует значительному сокращению времени обработки и расширению областей его применения.

Сегодня существует настоятельная потребность в разработке и создании отечественных специализированных пятикоординатных центров для обработки различных ПКМ и древесины.

ФГУП «ГНЦ ЛПК» инициировал включение в подпрограмму «Развитие отечественного станкостроения и инструментальной промышленности» на 2011-2016 г. федеральной целевой программы «Национальная технологическая база» на 2007-2011 г. проекта «Разработка пятикоординатного обрабатывающего центра со специальной инструментальной оснасткой для механообработки крупногабаритных деталей из полимерных композиционных материалов, дерева и пластмасс».

НИОКР была выставлена Министерством промышленности и торговли Российской Федерации на конкурс по направлению «Механообрабатывающее оборудование, его разработка и технологическое обеспечение серийного производства» в разделе «Разработка и технологическое обеспечение серийного производства специализированного оборудования для прецизионной размерной механической обработки деталей сложной формы из неметаллических материалов».

Департамент базовых отраслей промышленности Минпромторга РФ разработал следующее техническое задание на создание данного Центра.

1. Цель работы

Обеспечение потребностей российских машиностроительных предприятий

36

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2012

Лесозаготовительное производство и лесное машиностроение

высокопроизводительными многофункциональными обрабатывающими центрами со специальной инструментальной оснасткой для сложной глубокой механообработки крупногабаритных деталей из композиционных материалов, дерева и пластмасс.

2. Задачи работы:

- разработка принципиальных технических решений, обеспечивающих возможность создания 5-координатного обрабатывающего центра со специальной инструментальной оснасткой для механообработки крупногабаритных деталей из полимерных композиционных материалов, дерева и пластмасс;

- разработка рабочей конструкторской документации, изготовление опытного образца, подготовка серийного производства ОЦ.

В результате выполнения работы должно быть обеспечено получение наукоемкой продукции, конкурентоспособной на мировом уровне.

3. Требования к разрабатываемой продукции:

- Назначение разрабатываемого оборудования: технологические операции обработки полимерных композиционных материалов, дерева и пластмасс - сложная (объемная) фрезерная обработка деталей и разнообразная фрезерная обработка по периметру поперечного сечения деталей.

- Обеспечение высокой производительности и расширение функциональных возможностей разрабатываемого оборудования на основе установки дополнительных специальных фрезерных и других рабочих головок и специальных технологических приспособлений.

- Количество управляемых координат (осей) - 5.

- Количество одновременно интерполируемых координат (осей) - 5.

- Перемещения по координатным осям, мм:

Х - не менее 6000;

Y - не менее 1600;

Z - не менее 600.

- Повороты осей двухкоординатной головки, град:

по оси «А» (суппорт) - не менее ±100;

по оси «С» (каретка) - не менее ±180.

- Максимальные скорости перемещения по линейным координатным осям, м/мин:

Х - не менее 20;

Y - не менее 20;

Z - не менее 15.

- Номинальная мощность шпинделя, кВт - не менее 11.

- Максимальная частота вращения шпинделя, об/мин - не менее 18000.

- Погрешность позиционирования (перемещения, поворота):

по оси Х, мм - не более 0,025;

по оси Y, мм - не более 0,025;

по оси Z, мм - не более 0,015;

по оси «А», угловая секунда - не более 30;

по оси «С», угловая секунда - не более

20.

- Автоматическая смена инструмента:

емкость магазина инструментов, шт.

- не менее 12;

время смены инструмента, с - не более 8.

4. Конструктивные требования

- центр должен иметь портальную компоновку с неподвижным столом и двухкоординатной шпиндельной головкой;

- координатные перемещения должны обеспечиваться использованием прецизионных направляющих и исполнительных устройств, приводов подач, а их контроль должен обеспечиваться датчиками линейных и круговых перемещений;

5. Себестоимость создаваемой научнотехнической продукции при серийном производстве должна быть как минимум на 25 % ниже продажной цены на российском рынке зарубежных аналогов с близкими техническими характеристиками.

6. Ожидаемые результаты:

- Опытный образец и подготовка серийного производства Центра.

- Ликвидация критической импортной зависимости в области механообработки крупногабаритных деталей из композитов, древесины и пластмасс.

- Обеспечение производства на российских машиностроительных предприятиях

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 8/2012

37