1. Применение гидропневмосистем в практике изготовления продукции машиностроения

Системой называют совокупность каких-либо объектов, связанных определенными формами взаимодействия или взаимозависимости. Если объектами служат технические устройства, взаимодействие которых осуществляется с помощью жидкости или воздуха, то такие системы называют соответственно гидравлическими и пневматическими или сокращенно гидро- и пневмосистемами. Используемые в них жидкость и газ называются в дальнейшем рабочей средой, при этом к жидкостям отнесены те вещества, которые в гидромеханике в отличие от газов именуются капельными жидкостями.

Гидро- и пневмосистемы с давних пор используются в технике. С развитием фабричного производства возникла необходимость в передаче энергии на расстояние и в управлении машинами. Сначала для этого использовались механические устройства. В связи с усложнением производственных процессов для передачи энергии стали применяться воздух и жидкости под давлением.

В общем виде любой гидропривод можно представить в виде схемы, показанной на рис. 1.1. Эта схема упрощенно показывает основные элементы, входящие в состав гидропривода, их взаимосвязь, назначение и выходные рабочие параметры. Так, по схеме можно проследить преобразование энергии приводного электродвигателя в выполненную работу при движении рабочего органа станка. Основой гидропривода является гидропередача, в состав которой входят: 1 - входная гидравлическая машина - насос; 2 - выходная гидравлическая машина - гидродвигатель; 3 - гидролиния.

Рис. 1.1. Структурная схема гидропривода

В качестве гидродвигателей применяют различные гидромашины в зависимости от вида движения, которое необходимо получить: для прямолинейного возвратно-поступательного - гидроцилиндры; вращательного - гидромоторы и возвратно-поворотного - поворотные гидродвигатели. По типу применяемого гидродвигателя гидропривод также называют гидроприводом поступательного, вращательного или поворотного движения.

Между приводным двигателем и насосом может быть размещена входная механическая передача (редуктор) для изменения частоты вращения , полученной от выходного вала электродвигателя. Но чаще насос и приводной двигатель соединяют с помощью муфты. Выходную механическую передачу часто применяют для изменения вида движения или направления движения, осуществляемого гидродвигателем.

В общем случае входной вал насоса вращается с частотой , а создаваемый им поток рабочей жидкости характеризуется величиной расходаQ и давлением р. На выходном звене гидродвигателя нас интересуют прежде всего два параметра получаемого движения: скоростной и силовой. Для возвратно- поступательного движения: линейная скорость v₂ и усилие F₂, а для вращательного: частота вращения n₂ и крутящий момент М₂. При этом первый параметр определяет подачу насоса на основании уравнения неразрывности, а второй зависит от давления р.

Гидропривод осуществляет передачу энергии с двойной ее трансформацией: вначале механическая энергия, полученная от электродвигателя, превращается в насосе в энергию потока рабочей жидкости; потом в гидродвигателе происходит обратная трансформация: энергия рабочей жидкости преобразуется в механическую энергию на выходном звене гидродвигателя.

Такая трансформация ведет к неизбежным потерям части энергии. Эффективность работы привода с точки зрения полезного использования энергии можно оценить количественно по величине коэффициента полезного действия (КПД). Современные технические решения позволяют создавать гидроприводы, не уступающие по КПД электроприводам в области средних и больших мощностей, несмотря на потери энергии в процессе трансформации.

Применяемые в технике гидравлические двигатели делят на объемные и динамические.

В объемных гидродвигателях перемещение или угол поворота выходного звена двигателя прямо пропорциональны объему рабочей жидкости, прошедшей через его рабочие камеры. Приводы, в которых используют объемные гидродвигатели, также называют объемными гидроприводами.

В динамических гидродвигателях механическое движение выходного звена создается за счет использования в основном кинетической энергии потока рабочей жидкости. Примером такого двигателя может служить турбина, на лопасти которой направляется струя жидкости под давлением. Динамические гидродвигатели применяют в приводах большой мощности, таких как трансмиссии автомобилей, тепловозов и др. В станках в основном применяют объемные гидроприводы, а динамические находят применение редко.

При реализации процессов технологии машиностроения основными объектами применения гидро- и пневмоприводов являются:

1) металлообрабатывающие станки, на которых производится обработка разнообразных деталей для всех отраслей машиностроения;

2) технологические приспособления и оснастка;

3) технологические процессы изготовления деталей;

4) средства комплексной механизации и автоматизации производственных процессов.

1.1. Гидропневмоприводы металлообрабатывающих станков.

При обработке заготовок на современных металлообрабатывающих станках их рабочие органы и механизмы обеспечивают согласованные между собой перемещения заготовки и режущего инструмента, надежное крепление заготовки, автоматическую смену инструментов, снятие обработанной детали, установку заготовки и другие вспомогательные движения, т.е. в станке требуется приводить в движение большое число узлов и механизмов /1/. Устройства, выполняющие эти перемещения называют приводами. Под приводом подразумевают двигатель и те устройства, которые управляют его работой, изменяют скорость прямолинейного движения или частоту вращения рабочего органа, усилие или крутящий момент и т.д.

В современных металлообрабатывающих станках используют различные типы приводов /2, 3/ (электрические, пневматические, гидравлические или комбинированные), применение которых зависит от многих факторов: назначения и технических требований к изготовляемым деталям, разновидности обрабатываемого материала, структуры принятого технологического процесса обработки, вида и типа производства, фактического уровня его развития и т.п.

В пневматических приводах используют двигатели, в которых механическое движение получается за счет использования энергии сжатого воздуха. Наиболее распространенный пневмодвигатель поступательного движения - пневмоцилиндр, отличающийся простотой конструкции, невысокой стоимостью и достаточной надежностью. Ограничением для применения пневмоприводов является использование в качестве рабочей среды сжатого воздуха. Из-за значительной сжимаемости воздуха затруднено регулирование и поддержание заданной скорости движения, получение равномерного движения рабочего органа при малых скоростях перемещения. Наибольшее распространение получили пневмоприводы, работающие при давлении около 0,4 - 0,6 МПа. Поэтому увеличение получаемых усилий возможно только за счет увеличения размеров пневмоцилиндров, что затрудняет их использование в конструкции станка. Указанные особенности пневмопривода определили область его наиболее рационального применения в станках - выполнение вспомогательных перемещений, а в промышленных роботах - рабочих перемещений узлов. В некоторых случаях используют и системы управления станками, построенные на пневматических логических элементах.

В гидравлических приводах для получения механического движения используют давление жидкости. Высокая подвижность и малая сжимаемость жидкостей позволяют с помощью простого по конструкции двигателя поступательного движения - гидроцилиндра - выполнить практически все требования, предъявляемые к движению рабочих органов в станках: по скорости, равномерности движения, усилиям, частоте переключений и др. Рабочие давления жидкости в гидроприводах станков значительно выше, чем давление сжатого воздуха в пневмоприводах, поэтому габаритные размеры гидравлических исполнительных механизмов соответственно меньше, чем пневматических, и они легче встраиваются в станок. Гидравлические двигатели вращательного движения также имеют меньшие размеры и массу на единицу мощности по сравнению с электродвигателями. Гидравлический привод удобно сочетается с другими типами приводов, электронными системами управления станками, а также имеет и другие преимущества, благодаря которым гидропривод является эффективным средством автоматизации станков и устройств, способствующих их более эффективному использованию (промышленных роботов, автоматизированных магазинов инструментов и складов продукции, устройств контроля размеров заготовок, деталей и др.).

По своему назначению гидравлический привод в станках делится на гидропривод главного движения, гидропривод подач и гидропривод вспомогательных перемещений /4/.

Приводы главного движения перемещают поступательно или вращают рабочие органы и узлы станков, которые несут на себе режущий инструмент или заготовку, причем это движение участвует в получении заданной формы детали и определяет при обработке скорость резания.

Приводы подач также перемещают рабочие органы или узлы станков, несущие инструмент или заготовку. Их движение также влияет на форму обрабатываемой поверхности детали, но скорость этих движений определяет только скорость подачи инструмента относительно обрабатываемой поверхности.

Приводы вспомогательных перемещений широко используют в станках для привода рабочих органов и узлов станка, движение которых не участвует при формообразовании детали. К гидроприводам вспомогательных перемещений обычно относят приводы зажимных устройств и устройств автоматической смены инструмента, транспортных и фиксирующих устройств, устройств перемещения измерительных приборов и др.

В станках гидродвигатели обычно размещают на рабочих органах или в непосредственной близости от них, а насосы - на гидробаках, при этом от одного насоса может питаться несколько гидродвигателей. В частном случае насос и гидромотор могут быть объединены в виде гидропередачи.

Все гидрооборудование можно разделить на три группы: гидромашины, гидроаппаратуру управления и вспомогательные гидравлические устройства. К первой относят гидродвигатели и насосы. Во вторую группу входят различные клапаны, распределители, дроссели, реле давления, регуляторы и др. Надежная работа гидропривода и станка обеспечивается при условии, что в гидросистеме поддерживается требуемое качество рабочей жидкости. Для этого служат устройства кондиционирования жидкости: фильтрующие устройства (фильтры), очищающие рабочую жидкость от механических загрязнений; устройства регулирования и поддержания температуры жидкости (теплообменники, нагревательные элементы, терморегуляторы) и др. Все они относятся к группе вспомогательных устройств (третья группа). В эту же группу входят и устройства для хранения и передвижения рабочей жидкости: гидробаки, трубопроводы, уплотнения и соединительные элементы. Для удобства компоновки и обслуживания гидропривода гидробак, насосный агрегат и устройства кондиционирования рабочей жидкости обычно объединяют конструктивно в виде гидравлической установки, которую располагают рядом со станком. На гидравлической установке по возможности размещают также манометр и гидроаппаратуру управления: предохранительные, обратные клапаны и др.

1.2. Гидроприводы станочных приспособлений и технологической оснастки.

Станочными приспособлениями называют дополнительные устройства к металлорежущим станкам, позволяющие наиболее экономично в заданных производственных условиях обеспечить заложенные в конструкции детали требования к точности размеров, формы и взаимного положения обрабатываемых поверхностей /5, 6/.

К станочным приспособлениям относятся: устройства для установки и закрепления обрабатываемых деталей на станках (приспособления), устройства для установки и крепления режущего инструмента на станках (вспомогательный инструмент) и др.

В настоящее время механизируют, а во многих случаях и автоматизируют, установку и закрепление обрабатываемых деталей, поворот приспособлений в процессе обработки, снятие обработанных деталей со станков, транспортировку их для последующей обработки и др. Для этих целей в отечественном крупносерийном и массовом производствах широко используется сжатый воздух, жидкости под давлением, электроэнергия и др. /7/. Наиболее широко используется сжатый воздух (пневматика), так как пневматические устройства, например пневматические приводы приспособлений, отличаются быстротой действия, относительной простотой конструкции, легкостью и простотой управления, надежностью и стабильностью в работе.

По быстроте действия пневмоприводы значительно превосходят не только ручные, но и многие механизированные приводы. Если, например, скорость течения масла, находящегося под давлением в трубопроводе гидравлического устройства, составляет 2,5 - 4,5 м/сек, а максимально возможная - 9 м/сек, то воздух, находясь под давлением 4 - 5 кг/см², распространяется по трубопроводам со скоростью до 180 м/сек и более. Поэтому в течение 1 ч возможно осуществить до 2500 срабатываний пневмопривода.

К преимуществам пневмопривода следует отнести то, что его работоспособность не зависит от колебаний температуры окружающей среды. Большое преимущество состоит также в том, что пневмоприводы обеспечивают непрерывное действие зажимной силы, вследствие чего эта сила может быть значительно меньше, чем при ручном приводе. Это обстоятельство весьма существенно при обработке тонкостенных деталей, склонных к деформациям при зажиме. Кроме того, сжатый воздух используют для удаления стружки и мелких деталей, для охлаждения инструмента во время обработки. Сжатый воздух применяют в непрерывно действующих притирочных устройствах. Турбинный пневмопривод используется в быстроходных сверлильных головках с числом оборотов до 100000 в минуту, которыми пользуются для сверления отверстий диаметром менее 0,25 мм. Чтобы использовать сжатый воздух в приспособлениях, требуется соответствующая силовая, воздухопроводящая, регулирующая и контролирующая аппаратура. Для предохранения рабочих органов этой аппаратуры от окисления, загрязнения и в связи с этим от преждевременного выхода из строя воздух должен быть освобожден от влаги, масла, кислот и всяких механических включений. Очистка воздуха обычно производится дважды. Предварительно в отдельных холодильных установках воздух под действием циркулирующей по трубам воды охлаждается до комнатной температуры и выделяет излишнюю влагу. Вторичная очистка воздуха происходит в расположенных на рабочих местах специальных фильтрующих устройствах, в которые он поступает от общезаводской или общецеховой компрессорной установки под давлением 4 - 5 кГс/см². Первоначальное давление воздуха, создаваемое компрессором, находится в пределах 7 - 8 кГс/см².

По конструкции силовой части пневмоприводы можно разделить на группу поршневых приводов и группу диафрагменных приводов. В этих приводах давление сжатого воздуха преобразуется в силу, действующую вдоль оси штока, связывающего привод с зажимным механизмом приспособления для обрабатываемой детали. Необходимая сила зажима детали в приводах первой группы создается с помощью одно- или двусторонне действующих поршневых цилиндров (пневмоцилиндров), в приводах второй группы также с помощью одно- или двусторонне действующих диафрагменных камер (пневмокамер), которые могут быть стационарными и вращающимися.

Односторонне действующие пневмоцилиндры применяются при относительно малой величине требующегося рабочего хода штока, двусторонне действующие - при большом ходе или при необходимости закреплять обрабатываемые детали при прямом и при обратном ходе поршня, например, при поочередном закреплении деталей в двух приспособлениях, расположенных с двух сторон от пневмоцилиндра. В практике встречаются пневмоцилиндры с движением двух поршней в разные стороны или с противоположным движением цилиндра и находящегося в нем поршня. Пневмокамеры применимы только при малых ходах штоков.

Гидравлические приводы по принципу работы аналогичны пневматическим поршневым приводам. В них также необходимая сила, с помощью которой осуществляется тот или другой элемент операции (зажим обрабатываемой детали, поворот приспособления и т.п.), создается с помощью цилиндров одно- или двустороннего действия. Однако оборудование и аппаратура гидроприводов существенно отличаются от оборудования и аппаратуры пневмо-приводов. Применять различные приспособления с гидроприводами можно либо на гидрофицированных станках, оснащённых собственной насосной станцией для питания рабочих цилиндров, либо при наличии отдельных гидроустановок, действующих от самостоятельного электро- или пневмодвигателя, либо при наличии мощных гидростанций, обслуживающих группу станков.

Основное достоинство гидроприводов состоит в возможности создания больших давлений в гидроцилиндрах (до 100 кГс/см² и более) при относительно небольших габаритных размерах цилиндров. Гидроприводы по сравнению с пневмоприводами более устойчивы при изменениях нагрузки на деталь в процессе обработки. Поэтому они широко применяются, например, в автоматических устройствах для копировальной обработки деталей. Высокое давление в гидроцилиндрах позволяет обойтись без специальных усилителей зажимов, часто необходимых при использовании пневмоприводов для закрепления деталей, при обработке которых возникают большие силы резания.

Гидроприводы имеют сложную конструкцию и затраты на их изготовление больше по сравнению с пневмоприводами. Кроме того, у гидроприводов происходит утечка масла через уплотнения в местах сопряжения подвижных деталей. Для сбора этого масла необходимо применять специальные устройства, а также расходовать при этом дополнительную энергию на циркуляцию в системе масла, перекачиваемого для восполнения утечки. На работоспособность гидропривода оказывает влияние качество масла, например, его вязкость. Обычно используется веретенное масло 2 или 3 и турбинное Л.

Вакуумными называют приводы, с помощью которых под обрабатываемой деталью или над ней создаётся разреженная полость, в результате чего деталь надёжно прижимается к буртику этой полости всей своей опорной поверхностью силой атмосферного давления. Деформация детали, возможная при использовании зажимов, создающих сосредоточенные силы, в этом случае исключается, хотя при больших размерах опорной поверхности сила зажима выражается сотнями и тысячами Ньютонов. Конструкция вакуумных приспособлений проста, так как в них не требуется создавать специальных механических устройств для закрепления обрабатываемых деталей. Применение вакуумных приспособлений особенно удобно для обработки плоских тонкостенных деталей из диамагнитных материалов, так как такие детали невозможно укреплять в магнитных и электромагнитных приспособлениях, очень удобных для крепления тонкостенных деталей из магнитопроводных материалов.

Вакуумные приводы иногда представляют цилиндрические емкости с двумя полостями, перегороженные жесткой перегородкой. Поршни этих полостей помещены на одном штоке, поэтому когда одна полость между перегородкой и поршнем заполняется сжатым воздухом, во второй полости создается разрежение. При подключении к этой полости приспособления, установленного на том или другом станке, в нее попадает воздух, находящийся под обрабатываемой деталью, установленной в зажимном приспособлении, и деталь оказывается закрепленной.

1.3. Гидропневмоприводы, обеспечивающие рабочий процесс при изготовлении и обработке деталей.

В настоящее время в технологии машиностроения достаточно широко применяют различные способы изготовления деталей, рабочие процессы в которых неразрывно связаны с движением жидких сред. При формообразовании заготовок к таким процессам относятся процессы центробежного литья, литья под давлением, процессы гидродинамической очистки отливок от остатков формовочной смеси, шлаков и т.п., процессы гидродинамической штамповки листовых заготовок, разнообразные сборочные процессы и т.д. В области размерной обработки к таким процессам относят электрохимическую и разнообразные комбинированные методы обработки /8-11/.

Сущность электрохимической размерной обработки заключается в растворении материала детали в электролитах под действием электрического поля. Также применяется и обратный процесс - гальванопластика, позволяющий покрывать поверхность детали слоем хрома, никеля, цинка, меди и др. за счет осаждения их ионов из растворов электролита. Под действием тока в электролите материал анода (в большинстве случаев это заготовка) растворяется и в виде продуктов обработки выносится из межэлектродного пространства (МЭП) потоком электролита. Кроме того в результате электрохимических реакций образуются и газообразные продукты, которые также удаляются с потоком электролита в атмосферу. Необходимым условием осуществления процесса ЭХО является удаление продуктов обработки из областей, расположенных в местах их активного выделения (прианодная и прикатодная области). В большинстве случаев это достигается принудительной прокачкой электролита /12/.

Если процесс ЭХО протекает в течение нескольких секунд, например, при маркировании деталей по схеме с неподвижными электродами, то электролит не успевает загрязниться продуктами обработки. В таких условиях электролит не прокачивают. При времени процесса до 8-10 секунд для перемещения электролита могут быть использованы ультразвуковые или низкочастотные вибрации электродов или влажные ленты, перемещаемые через электродный зазор. Если обрабатывают детали, предназначенные для перемещения газов или жидкостей (крыльчатки компрессоров, насосов, шнеков т др.), то электролит можно перемещать за счет вращения самой заготовки. Жидкость протекает по зазору между электродами со скоростью, регулируемой частотой вращения заготовки. В остальных случаях используют насосы. Наиболее широко применяют центробежные насосы, выполняемые из нержавеющей стали. Они не боятся загрязнения перекачиваемой жидкости и надежны в работе.

При ЭХО в электролите происходит накопление продуктов обработки и при малых межэлектродных зазорах между электродом-инструментом и обрабатываемой деталью может происходить пробой и короткое замыкание. Поэтому электролиты в процессе эксплуатации подвергают очистке. Наиболее часто применяемыми способами очистки электролита является отстой, центрифугирование, очистка вакуумными и пресс-фильтрами, электрофлотацией или осаждением продуктов обработки с помощью коагуляторов. Электрохимические станки могут комплектоваться также тарельчатыми сепараторами, пластинчатыми отстойниками и другими устройствами для очистки электролитов. Регулирование температуры и состава электролитов осуществляют в специальных ваннах автоматическими системами. Для подогрева и охлаждения электролитов с целью стабилизации температурного режима обработки в ваннах устанавливают теплообменники.

Взаимное комбинирование традиционных и нетрадиционных технологических процессов механической обработки изделий привело к созданию, так называемых, комбинированных методов обработки. Комбинированные методы обработки образуются сочетанием различных технологических приемов, в каждом из которых пытаются использовать и усилить положительные признаки, необходимые для технологического процесса изготовления детали. Если одной из составляющих комбинированных способов является электрохимическая обработки детали в среде электролита, то для его принудительной подачи используют гидроприводы, аналогичные гидроприводам, применяемым в процессах ЭХО.

1.4. Применение гидропневмоприводов для средств комплексной механизации и автоматизации технологических процессов.

Комплексная механизация и автоматизация технологических процессов при изготовлении деталей имеет целью повышение качества, производительности, коэффициента загрузки оборудования, улучшения условий труда, экономических показателей производства /13/.

Для сокращения вспомогательного времени при механической обработке деталей на металлорежущих станках автоматизации подвергают такие операции, как установка, закрепление и снятие обрабатываемой заготовки, смена и замена инструментов, контроль деталей на станке, транспортирование и подача в рабочую зону обрабатываемых заготовок, очистка металлорежущего инструмента от стружки и ее удаления от станка и т.д. Для этих целей широкое применение в технических системах находят гидравлические и пневматические приводы /1/.

Гидропривод обладает малой инерционностью подвижных частей, что обеспечивает его высокое быстродействие и позволяет быстро реверсировать и тормозить исполнительное устройство. Гидропривод имеет в 3-10 раз меньшую массу и габаритные размеры, чем электропривод. Он обеспечивает бесступенчатое регулирование скорости движения, долговечен, конструкция устройств, предотвращающих его поломку при перегрузке, проста и надежна. Гидропривод позволяет легко обеспечивать автоматизацию циклов движений. КПД гидродвигателей находится в пределах 85-95 %, что выше, чем у электрических машин.

В станках с ЧПУ гидроприводы применяют чаще всего в движениях подач и как следящие приводы /14/. В цепях главного движения они применяются главным образом в станках с возвратно-поступательным движением. В станках с ЧПУ обычно применяются две схемы питания гидродвигателей: объемное (от гидронасоса с регулируемой производительностью) и дроссельное (посредством золотника). Диапазон регулирования величин подач в станках с ЧПУ должен перекрывать как рабочие подачи, так и быстрые перемещения. Он достигает 10000 мм/мин и выше. Необходимо обеспечивать высокую точность и плавность перемещений при малых рабочих подачах (1-4 мм/мин). В зависимости от системы управления приводы подач бывают дискретными (шаговыми) и следящими. Шаговый привод подачи применяется в разомкнутых (без обратной связи) системах управления. В шаговых приводах применяются шаговые электродвигатели (ШД), которые бывают маломощными (управляющими) и силовыми. В приводах с маломощными ШД в качестве усилителей крутящего момента обычно применяют гидравлические усилители. При этом крутящий момент гидромотора может превышать крутящий момент шагового двигателя до 300 раз.

Для удаления стружки от станков обычно применяют комбинации различных типов устройств. Так, например, стружка из каждого станка смывается сильной струей СОЖ и поступает в общий желоб, по которому движется в сборник. В сборнике СОЖ отделяется от стружки и подается насосом обратно к станкам. Для уборки стружки также применяются пневматические устройства, которые бывают с нагнетательной, всасывающей и всасывающе- нагнетательной системами.