Что лучше подходит для высокопроизводительного производства: бесцентрово-шлифовальный станок или традиционный шлифовальный станок?

Вердикт: Бесцентровые шлифовальные станки Выигрыш в высокоэффективном производстве: традиционные дробилки Выигрыш в гибкости

Для непрерывного крупносерийного производства цилиндрических деталей бесцентровый шлифовальный станок является очевидным выбором: он обеспечивает в 3–8 раз большую производительность, практически нулевое время наладки при повторных работах и неизменно более жесткие допуски, чем традиционные станки центрового типа. Согласно задокументированным сравнениям производства, бесцентровые станки обрабатывают от 200 до 1200 деталей в час в зависимости от размера детали и материала, тогда как традиционные цилиндрические шлифовальные станки обычно достигают производительности от 30 до 150 деталей в час при эквивалентной работе.

Компромисс — гибкость. Традиционные шлифовальные станки обрабатывают сложные геометрические формы, прерывистые поверхности, а также ступенчатые или фланцевые детали, которые бесцентровые машины не могут обрабатывать. Для мастерских, выполняющих разнообразные небольшие объемы работ, традиционная шлифовальная машина остается более практичной инвестицией. Решение не является универсальным — оно зависит от объема производства, геометрии детали, требований к допускам и наличия навыков оператора. В этой статье представлены данные, позволяющие уверенно принять это решение.

Как работает каждая машина: основные принципы работы

Бесцентровый шлифовальный станок

Бесцентровый шлифовальный станок удерживает заготовку между тремя точками контакта: шлифовальным кругом, регулирующим кругом и рабочим лезвием — без шпинделя, патрона или центра, удерживающего деталь. Шлифовальный круг удаляет материал, а регулирующий круг контролирует скорость вращения заготовки и скорость осевой подачи. Эта «плавающая» система поддержки обеспечивает непрерывную сквозную работу: детали входят в одну сторону машины и выходят из другой непрерывным потоком, без цикла загрузки или разгрузки между деталями. Отсутствие приспособлений для крепления заготовки исключает самую большую потерю времени при традиционных операциях шлифования.

Традиционная цилиндрическая шлифовальная машина (центрального типа)

Традиционный цилиндрический шлифовальный станок поддерживает заготовку между центрами (или в патроне) и вращает ее относительно шлифовального круга, движущегося по траверсу или врезному шаблону. Каждая деталь должна быть индивидуально загружена, выровнена, отшлифована, проверена и разгружена. Этот последовательный цикл точен и универсален — станок может шлифовать различные диаметры, конусы, уступы и сложные профили за одну установку — но время загрузки и разгрузки между деталями создает свойственный потолок производительности, с которым не сталкиваются бесцентровые машины.

Сравнение производительности: сколько деталей в час производит каждая машина?

Пропускная способность является наиболее решающим показателем для оценки высокоэффективного производства. В приведенной ниже таблице сравнивается производительность деталей в час для трех распространенных категорий цилиндрических деталей:

Рис. 1. Сравнение расчетной производительности (деталей в час) для распространенных типов цилиндрических деталей.

Преимущество бесцентрового шлифования в производительности наиболее заметно для небольших простых цилиндрических деталей в больших объемах. Для производства обойм подшипников, один бесцентровый станок заменяет от 6 до 8 традиционных круглошлифовальных станков для достижения эквивалентной производительности — эффективности использования капитала и производственных площадей со значительными финансовыми последствиями для крупных производителей.

Прямое сравнение характеристик

Три режима работы бесцентрово-шлифовальных станков и когда использовать каждый

Проходное шлифование

Заготовка непрерывно подается через станок в осевом направлении — входя с одной стороны и выходя с другой за один проход. Сквозная подача — режим с наивысшей производительностью , способный обрабатывать детали со скоростью более 1000 в час для небольших цилиндрических компонентов. Он ограничен деталями с однородной, непрерывной цилиндрической поверхностью — без выступов, фланцев или ступеней диаметра. Область применения включает стальные штифты, подшипниковые ролики, стержни клапанов и компоненты топливных форсунок.

Подача (врезное) шлифование

Заготовка позиционируется в осевом направлении с помощью концевого упора, а регулирующий круг подает ее радиально в шлифовальный круг. Этот режим вмещает детали с заплечиками, фланцами или ступенчатыми диаметрами — основное геометрическое ограничение проходной подачи. Бесцентровое шлифование с подачей происходит медленнее, чем сквозное шлифование (обычно 100–400 деталей в час), но все же значительно быстрее, чем традиционное шлифование тех же деталей, поскольку не требуется никакого приспособления для крепления заготовки. Этим методом шлифуются кулачки кулачков, поршневые пальцы с выточками и конические детали.

Концевое шлифование

При использовании для конических заготовок деталь подается в осевом направлении до фиксированного концевого упора, в то время как оба круга правятся до требуемого угла конусности. Это наименее распространенный способ, используемый для крупносерийного производства конических роликов, хвостовиков сверл и конических седел клапанов. Шлифование с торцевой подачей обеспечивает постоянную точность конусности и качество поверхности, необходимые для подшипников, обычно достигая точности конусности в пределах от 5 до 10 микрометров на 100 мм длины.

Распространение отраслевых приложений: где доминирует каждая машина

Две диаграммы ниже иллюстрируют типичное распределение приложений для каждого типа машин в ключевых секторах производства:

Рисунок 2. Типичная доля применения бесцентрово-шлифовальных станков в отрасли.

Рисунок 3. Типичная доля применения традиционных круглошлифовальных станков в отрасли.

Точность и качество поверхности: какой станок дает более точные результаты?

Вопреки интуитивному мнению, что машина без приспособлений должна быть менее точной, Бесцентровые шлифовальные станки всегда обеспечивают более жесткие допуски по диаметру, чем традиционные шлифовальные станки. в производственных средах. Причиной является термическая и виброустойчивость: поскольку заготовка поддерживается по всей длине контакта лезвием рабочего упора, а не консольно между центрами, отклонение под действием шлифовальной силы сведено к минимуму, что особенно важно для тонких валов с соотношением длины к диаметру выше 10:1.

При производстве обойм подшипников — возможно, наиболее требовательном к точности крупномасштабном шлифовании — бесцентровые станки обычно выдерживают допуски на диаметр ±0,002 мм (2 микрометра) и округлость внутри 0,001 мм (1 микрометр) в производственных условиях с чистотой поверхности Ra от 0,1 до 0,2 мкм. Эти характеристики находятся на верхнем пределе того, чего могут достичь традиционные измельчители даже в лабораторных условиях.

Рисунок 4. Наилучшие достижимые показатели точности в производственных условиях (более низкие значения указывают на более высокую точность)

Общая стоимость владения: капитальные, трудовые и эксплуатационные затраты за 5 лет

Цена покупки машины составляет лишь часть реальной стоимости. За 5-летний производственный горизонт, производящий 1 миллион цилиндрических штифтов вала, картина общих затрат существенно меняется:

Экономия труда сама по себе оправдывает инвестиции в бесцентровые шлифовальные станки для крупносерийных работ. Общая экономия в размере $869 000 за 5 лет представляет собой убедительное финансовое обоснование, превышающее покупную цену машины более чем в 5 раз.

Рисунок 5. Разбивка затрат за 5 лет по категориям (тысяч долларов США) — бесцентровый и традиционный шлифовальный станок

Когда лучше выбрать традиционную кофемолку

Несмотря на производственные преимущества бесцентрового станка, существуют определенные ситуации, когда традиционный круглошлифовальный станок является правильным выбором:

• Сложные детали разного диаметра: Валы с разными диаметрами, глубокими выточками или фланцами нельзя обрабатывать методом сквозного бесцентрового шлифования. Коленчатый вал, распределительный вал или вал многоступенчатой ​​коробки передач требуют традиционного шлифовального станка с программируемой правкой круга и интерполяцией осей.
• Мелкообъемное, смешанное производство: Мастерские, обрабатывающие от 10 до 50 различных номеров деталей в неделю с размерами партий от 5 до 100, не могут оправдать инвестиции в установку и минимальный экономичный размер партии бесцентровых станков. Гибкость традиционного измельчителя оправдывает его более низкую пиковую производительность.
• Детали большого диаметра или тяжелые детали: Традиционные цилиндрические шлифовальные станки эффективно масштабируются для обработки заготовок диаметром 500 мм и весом в несколько тонн — размеры и вес, которые превышают возможности всех, кроме самых крупных специализированных бесцентровых станков. Шейки роторов турбин, шлифование валков мельниц и большие валы аэрокосмической отрасли являются традиционной территорией шлифования.
• Шлифование внутреннего диаметра: Бесцентровые станки шлифуют только внешние диаметры. Любая деталь, требующая точного внутреннего шлифования — гильзы цилиндров, корпуса подшипников, гидравлические отверстия — требует традиционного внутреннего шлифовального станка или универсального круглошлифовального станка с возможностью внутреннего шлифования.
• Крепление детали, необходимое для справки: Когда деталь необходимо отшлифовать до определенного диаметра относительно существующего отверстия или торца (а не до абсолютного диаметра), плавающая опора бесцентрового станка не может гарантировать требуемое геометрическое соотношение. Центровое шлифование осуществляется точно от собственной оси детали.

Бесцентрово-шлифовальные станки с ЧПУ: как автоматизация еще больше повышает эффективность

Современные бесцентрово-шлифовальные станки с ЧПУ повышают эффективность помимо основного преимущества сквозной подачи. Ключевые функции ЧПУ, которые напрямую повышают производительность и стабильность производства, включают:

• Автоматическая правка круга с компенсацией в процессе: По мере износа шлифовального круга системы ЧПУ автоматически правят круг и компенсируют положение зазора между валками, чтобы поддерживать постоянный выходной диаметр, устраняя ручную компенсацию, которая требует вмешательства оператора каждые 30–60 минут на ручных станках.
• Отзыв об измерении после обработки: Встроенные датчики постобработки измеряют каждую деталь после шлифования и передают данные о размерах обратно в контроллер ЧПУ. Алгоритмы статистического управления процессами (SPC) выявляют тенденции и заранее настраивают машину, обеспечивая поддержание Значения Cpk выше 1,67 (что эквивалентно менее 0,6 дефектов на миллион возможностей) без измерения оператором.
• Программы сохраненных параметров: Станки с ЧПУ хранят полные параметры настройки для каждого номера детали. Смена задания, которая на ручных бесцентровых станках занимает от 60 до 90 минут, сокращается до от 5 до 15 минут путем вызова сохраненной программы и предоставления машине возможности самостоятельной настройки.
• Термическая компенсация: Конструктивные температуры машины меняются в течение производственного дня, вызывая тепловое расширение, которое смещает зазор между валками на несколько микрометров. Системы термокомпенсации с ЧПУ контролируют температуру машины и постоянно регулируют зазор для поддержания постоянного диаметра, что крайне важно для соблюдения допусков ± 2 мкм в течение 8-часовой смены.

Часто задаваемые вопросы о бесцентровых шлифовальных станках

В1: Что самое сложное в правильной настройке бесцентрового шлифовального станка?

Положение высоты лезвия рабочего упора является наиболее критичным и наиболее часто неправильно устанавливаемым параметром при бесцентровом шлифовании. Осевая линия заготовки должна располагаться выше осевой линии между двумя колесами — обычно на 20–30 % диаметра заготовки. Слишком низко, и деталь становится лопастной (многоугольное поперечное сечение, а не настоящий круг). Слишком высоко, деталь дребезжит и выбрасывается из станка. Правильная высота рассчитывается на основе диаметра заготовки и диаметра круга, но точная настройка требует опыта, поскольку оптимальная высота также зависит от твердости материала, скорости подачи и глубины резания. Станки с ЧПУ сохраняют проверенную высоту лезвия как часть программы обработки детали, что исключает необходимость повторной настройки при повторных заданиях.

В2: Может ли бесцентровый шлифовальный станок эффективно обрабатывать закаленную сталь?

Да, закаленная сталь на самом деле является одним из основных материалов, обрабатываемых бесцентровыми шлифовальными станками в производственных условиях. Подшипниковые стали (52100, М50), инструментальные стали (Д2, М2) и цементированные стали для валов при от 58 до 65 HRС обычно обрабатываются шлифовальными кругами из CBN (кубического нитрида бора) или оксида алюминия. Круги из CBN являются предпочтительным выбором для обработки закаленной стали при крупносерийном производстве из-за их исключительного срока службы: один круг из CBN может обрабатывать От 500 000 до 2 000 000 деталей прежде чем потребуется замена, что значительно снижает стоимость каждого круга по сравнению с обычными абразивными кругами.

Вопрос 3. Что вызывает лепестки в бесцентровых шлифованных частях и как их предотвратить?

Лопастность — когда шлифованная часть имеет в поперечном сечении нечетное число (3-лепестки, 5-лепестки) вместо настоящего цилиндра — является характерным дефектом плохо настроенного бесцентрового шлифования. Это происходит, когда лезвие рабочего упора установлено слишком низко, в результате чего центральная линия заготовки оказывается рядом или ниже осевой оси колеса. Затем деталь восстанавливает свое состояние овальной формы при каждом вращении. Профилактика требует: (1) правильная высота рабочей опоры (20–30 % диаметра заготовки выше осевой линии колеса) ; (2) правильный угол регулирующего колеса (обычно от 1° до 6° для сквозной подачи); (3) соответствующие скорости круга и скорость подачи; и (4) устранение источников вибрации в конструкции машины и креплениях колес. Проблемы с кулачками, которые сохраняются после коррекции геометрии, обычно связаны с изношенным или несбалансированным регулировочным колесом.

Вопрос 4. Как бесцентровая шлифовальная машина обеспечивает постоянство диаметра миллионов деталей?

Стабильность диаметра в течение длительного времени поддерживается за счет сочетания автоматической правки круга, обратной связи по результатам измерения в процессе или после него и термической компенсации. Автоматическая правка восстанавливает профиль шлифовального круга до однородной геометрии. каждое заданное количество деталей или каждый заданный интервал времени, компенсируя износ колеса. Калибровка после обработки измеряет диаметр готовой детали и сигнализирует ЧПУ о необходимости регулировки зазора между валками, когда диаметр приближается к пределам допуска. Обычно это вызывает компенсационное движение от 0,001 до 0,002 мм, прежде чем какие-либо детали выйдут за пределы допуска. Вместе эти системы поддерживают постоянство диаметра в пределах ±0,002 мм при производстве сотен тысяч деталей без ручного вмешательства.

В5: Какой наименьший и наибольший диаметр может обрабатывать бесцентровый шлифовальный станок?

Диапазон диаметров бесцентрово-шлифовальных станков очень широк. Специализированные микробесцентровые станки обрабатывают детали размером до Диаметр 0,3 мм — используется в производстве медицинских игл и проволоки. Стандартные производственные машины обычно обрабатывают диаметры от 1 мм до 150 мм. Мощные бесцентровые станки, предназначенные для обработки крупных цилиндрических деталей — вальцешлифовальных, деталей шасси — обрабатывают диаметры до 400 мм или больше . Практический верхний предел бесцентрового шлифования определяется массой заготовки (которую должна поддерживать опора) и доступной силой шлифования относительно жесткости детали. Очень большие или тяжелые детали обычно лучше подходят для традиционного шлифования наружного диаметра.

В6: Подходит ли бесцентровый шлифовальный станок для небольших мастерских или только для крупных производителей?

Бесцентровые шлифовальные станки экономически оправданы в меньших масштабах, чем обычно предполагается, но бизнес-модель должна это поддерживать. Небольшой магазин вакансий, который занимается повторяющаяся база для объемных цилиндрических работ - даже 3 или 4 повторяющихся номера деталей с годовым объемом более 50 000 деталей каждый - могут оправдать бесцентровый станок с ЧПУ среднего класса. Ключевым требованием является не размер компании, а последовательность работы: цех, который неоднократно обрабатывает одни и те же семейства деталей, получает огромную выгоду от возможностей хранимой программы и преимущества в пропускной способности. Цех с разнообразными и небольшими объемами индивидуальных работ лучше обслуживает традиционная универсальная шлифовальная машина. Многие успешные небольшие мастерские используют и бесцентровый станок для производственных работ, и традиционный шлифовальный станок для прототипов и работ со сложной геометрией.