На многооперационных станках (обрабатывающих центрах) применяют три вида инструментальных головок: одно- и многоинструментальные (многошпиндельные), револьверные.
Многоинструментальные - многошпиндельные головки давно и весьма эффективно используют на агрегатных станках, в автоматических линиях, в серийном производстве и на универсальных станках сверлильной группы. В мелко- и среднесерийном производстве используют переналаженные многошпиндельные головки.
При очень малой серийности производства использовать такие головки на многооперационных станках, как правило, экономически невыгодно из-за длительности проектирования, изготовления и высокой стоимости. Однако при увеличении серийности целесообразно часть отверстий в корпусных заготовках обрабатывать на обрабатывающих центрах с помощью многошпиндельных инструментальных головок. Для снижения стоимости головок их стремятся конструировать из унифицированных деталей, используя средства автоматизации расчета и проектирования. Корпуса головок обрабатывают на обрабатывающих центрах.
В зависимости от расположения групп обрабатываемых отверстий, расстояния между ними и других факторов корпус многошпиндельной головки может иметь цилиндрическую (у небольших головок) или прямоугольную форму (рис. 1).
Примеры много-и одношпиндельных головок показаны на рис. 1. Для сверления нескольких одинаковых отверстий, расположенных в ряд, удобна головка, представленная на рис. 1, а. Все шпиндели головки получают вращение от ведущего вала 1, имеющего такую же форму, как и хвостовик стандартной (для данного типа гнезда шпинделя станка) инструментальной оправки.
Рис. 1. Инструментальные головки обрабатывающих центров
Многошпиндельная головка, (рис. 1, б) служит для обработки различно расположенных отверстий. Головка, (рис. 1, в) имеет подвесную кондукторную плиту 3, соединенную подпружинными штангами 2 и 5 с корпусом головки. Такие головки используют при больших вылетах сверл и комбинации со специальным приспособлением для закрепления заготовки. Для точной ориентации кондукторной плиты по отношению к приспособлению в плите имеются базовые втулки 4, а на корпусе приспособления базовые штыри, сопрягающиеся с втулками при подходе головки в рабочую позицию. Одноинструментальная головка (рис. 1, е) служит для сверления отверстий, перпендикулярных оси шпинделя станка. На фланце ведущего вала головки имеются пазы, предназначенные для передачи валу вращательного момента от шпинделя. Базовые втулки 6, 7 служат для соединения корпуса головки со шпиндельной бабкой станка.
Одношпиндельная головка (рис. 1, д) предназначена для закрепления сверла с внутренним подводом Сож (смазочно-охлаждающей жидкости). Сож подается по трубопроводам, боковой прилив корпуса головки и далее через систему отверстий в центральное отверстие сверла, а затем в отверстия, расположенные вблизи режущих кромок инструмента.
Соединение шпинделя головки со шпинделем станка в этой конструкции обеспечивается коническим хвостовиком, входящим в посадочный конус шпинделя. Корпус головки при работе инструмента не вращается. Подобную форму имеют корпуса быстросверлильных и одно-или многошпиндельных головок, предназначенных для сверления отверстий малых диаметров. Внутри корпуса размещается система зубчатых передач, обеспечивающая увеличение частоты вращения инструментов по сравнению с максимальной частотой вращения шпинделя станка. Боковой прилив и штырь на корпусе головки препятствуют его вращению.
При обработке крупных заготовок появляется потребность в обработке точных отверстий, расположенных на значительном расстоянии от торца шпинделя обрабатывающего центра, в глубине заготовки. Для увеличения жесткости расточной оправки ее закрепляют в корпусе одношпиндельной головки консольного типа (рис. 1, г).
Одношпиндельные головки используют также для закрепления торцовых фрез большого диаметра, крупных расточных головок и т.д. Для расширения технологических возможностей тяжелых обрабатывающих центров эффективны сложные одноинструментальные головки различного назначения. Одна из них показана на рис. 1, ж. Режущий инструмент вставляется в посадочное отверстие шпинделя ш головки или закрепляется на его торце. Корпус шпинделя можно поворачивать при настройке относительно оси (по стрелке Б) и вместе с передней частью корпуса головки (по стрелке В). Благодаря этому возможно получить самые различные положения инструмента по отношению к заготовке при неизменном горизонтальном положении оси шпинделя станка.
Система зубчатых передач, размещенных в головке, обеспечивает передачу крутящего момента от шпинделя станка к режущему инструменту.
Некоторое применение, особенно на обрабатывающих центрах средних и крупных размеров, нашли плансуппортные инструментальные головки.
Плансуппортные инструментальные головки
Плансуппорты давно применяют в универсальных расточных станках. Резец, расточная оправка или другой инструмент закрепляются в суппорте с, установленном в направляющих планшайбы (отсюда и название: «плансуппорт») или корпуса к инструментальной головки (рис. 2). При вращении планшайбы или корпуса суппорт может перемещаться в радиальном направлении с помощью реечно-зубчатой передачи. Одна из реек - P1 прикреплена к суппорту, вторая - P2 связана с тягой Т, проходящей через отверстие шпинделя. При перемещениях тяги вдоль оси шпинделя она поворачивает шестерню Шc. Вместе с ней поворачивается вторая такая же шестерня, которая передвигает рейку P1 и суппорт с инструментом. Радиальная подача инструмента может быть использована для протачивания различных канавок, обработки круговых пазов фасонной формы, подрезания «обратных» торцов, нарезания резьбы и т. д.
Рис. 2. Плансуппортная головка: а - общий вид; б - устройство
Плансулпортные головки используют в тех случаях, когда конфигурация и размеры поверхностей вращения не позволяют обработать их концевыми, дисковыми или другими фрезами методом контурного фрезерования, или когда обработка однолезвийным инструментом более экономична. Применение плансуппортных головок особенно эффективно для обрабатывающих центров с позиционными системами программного управления, где контурное фрезерование выполнить невозможно.
Крупные одношпиндельные и большинство многошпиндельных головок имеют значительные габариты и массу, требуют жесткое крепление на станке, поэтому автоматизация смены инструментальных головок связана с решением специфических задач.
Для базирования корпуса головки на шпиндельной бабке станка используют прямолинейные направляющие и фиксаторы или цилиндрические и конические посадочные поверхности. Для закрепления головки используют чаще всего сухари, входящие в Т-образные пазы корпуса, связанные тягами с гидроцилиндрами, или поворотные штыри с головками овальной формы, входящие в такие же отверстия корпуса. С помощью гидроцилиндров штыри проходят через отверстия, разворачиваются на 90° и обратным ходом штоков цилиндров плотно поджимают корпус головки к шпиндельной бабке. Корпус закрепляется в четырех точках.
Револьверные головки
Револьверные головки применяются как носители инструментов в станках с ЧПУ. В отличие от головок, устанавливаемых на токарно-револьверных станках, револьверные головки, предназначенные для обработки корпусных заготовок вращающимися инструментами, служат не только для закрепления инструментов и подачи в рабочую зону станка, но и для вращения. Поэтому в корпусе головки приходится размещать зубчатые колеса, подшипники, муфты и другие детали, необходимые для передачи вращения шпинделю и инструменту, находящемуся при выполнении очередного перехода в рабочей позиции. Револьверная головка должна обладать высокой жесткостью, позволяющей выполнять грубые работы и вместе с тем обеспечивать высокую точность при чистовой обработке. Выполнить эти требования при приемлемых габаритах корпуса головки очень трудно. Близко разместить инструменты в револьверной головке нельзя, - работающему инструменту будут мешать соседние. Обычно головка имеет пять-шесть инструментальных гнезд и редко более восьми. Поэтому револьверные головки нашли широкое применение только в обрабатывающих центрах токарной группы.
Конструкции револьверных головок для токарных обрабатывающих центрах весьма разнообразны, но можно выделить два принципиально различных типа: для невращающихся (резцов, расточных пластин, блоков, сверл и других инструментов для обработки отверстий) и вращающихся инструментов.
Головки второго типа служат для установки сверл и других инструментов при обработке отверстий, не совпадающих с осью вращения заготовки (параллельных, перпендикулярных ей и т. д.), а также для выполнения фрезерных и других работ. Принудительное вращение - от специального электро- или гидродвигателя - получает только тот инструмент, который в данный момент находится в рабочей позиции револьверной головки (напротив заготовки). По одной-две револьверные головки размещают непосредственно на суппортах токарного обрабатывающего центра или в поворотном корпусе. Всего на токарном обрабатывающем центре может быть установлено две-три револьверные головки, часто в сочетании с инструментальным цепным магазином. В обрабатывающих центрах для обработки корпусных заготовок приводные револьверные головки применяют только в комбинации с магазинами. Одна из позиций головки - рабочая, служит для вращения работающего инструмента, а другая диаметрально противоположная - для смены отработавшего. Передача инструментов (как всегда, закрепленных в стандартных оправках) из магазина в гнездо головки и обратно выполняется автооператором во время работы станка. Поэтому остановка шпинделя нужна только во время поворота револьверной головки на 90°.
Рассмотрим примеры компоновок приводных револьверных головок с магазинами и автооператорами. На шпиндельной бабке ШБ (рис. 3, а) станка установлена револьверная головка РГ, шпиндель РШ которой, расположенный горизонтально, получает вращение от двигателя главного движения. Второй шпиндель СШ находится в это время в положении смены инструментов и не вращается. Запас инструментов (30 шт.) создается в дисковом магазине M, установленном наверху шпиндельной бабки. Для передачи инструментов из магазина в револьверную головку и обратно служит автооператор А. В положении, показанном на схеме, автооператор начал движение вперед к шпинделю СШ. Перемещает его по наклонным направляющим шток гидроцилиндра Ц2. Перед этим осуществлен поиск гнезда магазина для отработавшего инструмента. Магазин повернулся относительно оси О2 в положение, когда свободное гнездо оказалось перед шпинделем СШ. В конце хода вперед захват автооператора зажимает оправку инструмента, находящегося в револьверной головке. Подается команда на подъем автооператора штоком гидроцилиндра Ц1. Инструментальная оправка извлекается из шпинделя головки. Включается ход вправо штока гидроцилиндра Ц2, оправка переносится к своему гнезду магазина, а затем с помощью гидроцилиндра Ц1 вставляется в него. Автооператор отводится в нейтральное положение с тем, чтобы не мешать поиску следующего инструмента. Происходит поворот магазина на нужный угол, и инструмент, подготавливаемый к смене, оказывается против освободившегося шпинделя СШ. Автооператор переносит инструмент в посадочное отверстие шпинделя.
Рис. 3. Устройство смены инструментов с помощью револьверных головок на станках горизонтального (а) и вертикального (б) типов
Все эти действия выполняются при работающем шпинделе РШ. По окончании рабочего перехода револьверная головка поворачивается относительно оси О1 на 180°, и новый инструмент вступает в работу. Отработавший инструмент попадает в позицию смены.
Существенный недостаток такого устройства автоматической смены инструмента - трудность достижения высокой жесткости узла револьверная головка - шпиндель. Поэтому его применение целесообразно в мелких обрабатывающих центрах, где силы резания небольшие (рис. 3, б). Из дискового магазина М емкостью 12 инструментов захват автооператора А извлекает оправку с инструментом и После поворота относительно горизонтальной оси вставляет в гнездо револьверной головки РГ, откуда перед этим второй захват автооператора извлек отработавший инструмент (этот инструмент подается в освободившееся гнездо магазина). Для перемещения автооператора вдоль оси О2 служит гидроцилиндр Ц. Приводы поворота магазина относительно оси О3 и револьверной головки относительно оси О1 на рисунке не показаны.
Устройства для автоматической смены инструментальных головок
Существует несколько способов создания запаса многошпиндельных головок и устройств для их автоматической смены:
- из магазина, общего для одиночных инструментов и многошпиндельных головок;
- из двух-или многопозиционного магазина, размещенного отдельно от станка.
Использование общего магазина для всех инструментов и многошпиндельных головок удобно с точки зрения универсальности магазина, устройства автоматической смены инструмента и гибкости смены. Он применяется в дисковых магазинах, устанавливаемых сверху на шпиндельную бабку станка, и в магазинах большой емкости, расположенных вертикально около стойки станка.
Компоновка устройства первого типа показана на рис. 4. Дисковый магазин М установлен на шпиндельной бабке станка и имеет вертикальную ось поворота. Оправки с закрепленными в них режущими инструментами вставлены в радиальные пазы - гнезда магазина. Часть гнезд (7-10) занята оправками с одиночным инструментом, а в гнезде 8 находится оправка с многошпиндельной сверлильной головкой.
Рис. 4. Инструментальный магазин для отдельных инструментов и многошпиндельных головок с устройством автоматической смены инструмента
Перенос каждой оправки в шпиндель Ш выполняется автооператором А. Перед этим оправка зажимается в разрезном поворотном гнезде ПГ, имеющемся в позиции смены инструмента, и опрокидывается в горизонтальное положение (по стрелке). Оправка с многошпиндельной головкой подается в шпиндель аналогичным образом, с той разницей, что корпус оправки, определенным образом ориентированный в угловом положении, фиксируется в этом положении по отношению к шпиндельной бабке с помощью имеющегося на корпусе специального упора У. Поэтому при вращении ведущего вала головки вместе с оправкой и шпинделем корпус остается неподвижным.
В устройстве второго типа многошпиндельная инструментальная головка своей оправкой вставляется в гнездо цепного магазина. Передача головки в шпиндель осуществляется теми же механизмами, что и для одноинструментальных оправок. Этот способ хранения и смены многошпиндельных головок имеет существенные недостатки: консольное размещение головки в гнезде цепи магазина создает неблагоприятное распределение нагрузок, вызывающих искривление цепи; при перемещениях цепи возникают значительные переменные по величине и направлению нагрузки на привод магазина.
Учитывая, что многошпиндельные головки нужны только для нескольких групп отверстий, а большинство поверхностей заготовок обрабатываются одиночными инструментами, целесообразнее размещать многошпиндельные головки неподвижно и отдельно от основного магазина. И только в тот момент, когда потребуется соответствующая головка, передавать ее на станок. Такое принципиальное решение является в настоящее время преобладающим.
Один из сравнительно простых способов хранения и смены расточных и многошпиндельных головок является установка рядом со стойкой горизонтального обрабатывающего центра двухместного двухпозиционного магазина (рис. 5). Корпус магазина М выполняется в виде жесткой металлоконструкции с двумя рядами направляющих на Н1 и Н2, размещенных друг над другом. По направляющим может перемещаться с помощью гидроцилиндра корпус инструментальной головки. Для подачи головки на станок шпиндельная бабка ШБ перемещается по стойке станка вверх или вниз до совмещения направляющих нас направляющими магазина.
Рис. 5. Двухместный магазин для инструментальных головок
Головка передвигается вправо до совмещения осей оправки с осью шпинделя Ш2. Происходят фиксация головки и ее закрепление (например, с помощью головок Г, входящих в Т-образные пазы корпуса головки). Для соединения оправки головки со шпинделем он подается вперед ходом вдоль своей оси.
Вторая расточная или многошпиндельная головка устанавливается в другую позицию магазина. После окончания работы первой головки шпиндельная бабка перемещается до уровня свободных направляющих магазина, и головка возвращается в магазин. Чтобы использовать вторую инструментальную головку, смещают шпиндельную бабку к следующей позиции магазина. Сменяющая головка подается гидроцилиндром в рабочую позицию. Для вращения сменных головок удобно использовать отдельный шпиндель и привод повышенной мощности. Поэтому на многих обрабатывающих центрах размещают по два шпинделя: для одиночного инструмента, сменяемого из цепного магазина Ш1, и для привода сменных головок - Ш2.
В некоторых обрабатывающих центрах используют многопозиционные двухрядные магазины инструментальных головок. Из одного ряда головки последовательно передаются к шпинделю станка, а после использования возвращаются во второй ряд магазина.
В связи с тем, что основная часть переходов обработки крупных заготовок выполняется одиночными инструментами, размещенными в цепном магазине, можно использовать упрощенные однорядные компоновки магазинов инструментальных головок, хотя это и связано с некоторым увеличением времени их автоматической смены. Такой магазин имеет многоцелевой станок ИР1600ПМФ4 (рис. 6). Магазин выполнен в виде станины, на которой размещены в один ряд подставки с поворотными плитами П, на которые устанавливают инструментальные головки ИГ. Вдоль магазина по направляющим может передвигаться каретка К, предназначенная для транспортирования головок к шпиндельной бабке ШБ станка и обратно.
Рис. 6. Устройство смены инструментальных головок на станке ИР1600МФ4
По команде на подачу инструментальной головки каретка подъезжает к нужной позиции магазина, и на нее опускается нужная головка, предварительно повернутая вместе со своей плитой в вертикальное положение. Происходит сцепление корпуса головки с кареткой и передвижение вправо на направляющие, и по ним клевому шпинделю. Здесь головка закрепляется, ее ведущий вал сцепляется со шпинделем, а каретка удаляется из рабочей зоны. Отработавшая головка переносится в свободную позицию магазина, а вместо нее переводится и закрепляется на шпиндельной бабке следующая.
Существуют и другие компоновки однорядных магазинов. Так, например, магазин обрабатывающего центра фирмы Scharmann (ФРГ) выполнен в виде массивной стойки с полками для инструментальных головок различного назначения. В связи с большой массой каждой головки они извлекаются из магазина путем перемещения горизонтального ползуна шпиндельной бабки. Стойка станка передвигается по своим горизонтальным направляющим к месту, где установлен магазин. Шпиндельная бабка поднимается до уровня нужной полки, выдвигается пиноль шпинделя, и происходит прочное соединение корпуса головки с пинолью, а ведущего вала головки - со шпинделем. Вслед за этим пиноль отодвигается, извлекая головку из магазина, и стойка передвигается к месту, где на столе или плитном настиле закреплена ожидающая обработки заготовка.
