Обрабатывающий центр с ЧПУ предназначен для обработки поверхностей различных деталей, и инструмент, используемый на этих станках, должен обеспечить сверление, рассверливание, глубокое сверление, зенкование: фасок и цековок, зенкерование, развертывание, растачивание черновое и чистовое, резьбонарезание метчиком и резцами, растачивание канавок, пазов, фрезерование плоскостей, пазов, уступов, выборок, криволинейных поверхностей, в том числе отверстий и канавок. При этом необходимо учитывать возрастающее разнообразие обрабатываемых материалов. Кроме конструкционных сталей, чугуна, цветных сплавов (латуни, бронзы), алюминия на обрабатывающих центрах обрабатываются детали из легированных сталей, титановых и магниевых сплавов, неметаллических материалов (ситаллов, пластмасс). Технологическая последовательность обработки поверхности определяется ее видом, точностью, характеристиками станка и инструмента.
Обрабатывающие центры с ЧПУ - это автоматизированные станки, у которых технологический цикл обработки детали без переустановки и вмешательства оператора достигает 2-3 ч и более. Таким образом, стойкость инструмента является важнейшим фактором, влияющим на его выбор. При повышенных или нормативных режимах резания инструмент выбирают так, чтобы обеспечить без дополнительной инструментальной наладки полную обработку одной детали или партии деталей. Это повышает надежность работы станка и улучшает условия многостаночного обслуживания.
При большой номенклатуре инструмента и ограниченной емкости магазина выбирают такой инструмент, который может обеспечить обработку различного вида поверхностей. Автоматическая установка инструмента в шпиндель станка может привести к дополнительной погрешности. На обрабатывающих центрах используются только базирующие, установочные приспособления, на которых отсутствуют направляющие втулки и накладные кондукторы. Основными критериями при выборе инструмента являются жесткость, стойкость, универсальность и точность. Оптимально выбранный инструмент должен обеспечить обработку всех видов плоскостей и отверстий. Обработка отверстий на обрабатывающих центрах составляет 70-80 % от общего машинного времени.
Наиболее применяемым видом инструмента для обработки отверстий являются спиральные сверла. На обрабатывающих центрах в зависимости от вида и характеристик отверстия используется все многообразие стандартных сверл. Важнейшим фактором при обработке деталей является определение стойкости сверл с целью своевременной замены инструмента при достижении критического уровня износа. Повышение стойкости сверл во многом зависит от правильной их заточки. Для сверл диаметром 1,5-2 мм рекомендуется плоская заточка по двум или четырем плоскостям. Для сверл большого диаметра предпочтение следует отдавать заточке по конической поверхности. Выбор угла при вершине определяется обрабатываемым материалом, отводом стружки и геометрией детали. Следует обратить внимание на заточку угла при вершине при обработке наклонных поверхностей. При сверлении наклонной поверхности положение главных режущих кромок сверла выбирается так, чтобы угол между главной режущей кромкой и наклонной поверхностью был наибольшим, при этом предпочтение следует отдавать большим углам при вершине (рис. 1).
Рис. 1. Схема заточки сверла при обработке наклонных поверхностей
Важным фактором является подточка поперечной режущей кромки сверла, которая подтачивается с обеих сторон так, чтобы длина кромки уменьшилась до 0,1-0,3 диаметра сверла. Преимуществами подточки являются уменьшение осевой силы сверления и лучшее центрирование сверла. Если глубина сверления не превышает 3-5 диаметров, то использование стандартных сверл приносит удовлетворительные результаты. При сверлении глубоких отверстий приходится преодолевать трудности, связанные с выводом стружки и недостаточной жесткостью и стойкостью сверла. Многократные выводы сверла, неравномерный шаг сверления усложняют программу и увеличивает вероятность ошибок. Изменение твердости деталей в пределах одной партии требует проверки цикла глубокого сверления и создает опасность поломки сверла, что ведет к занижению режимов обработки. Поэтому для сверления глубоких отверстий необходимо использовать сверла с увеличенным углом наклона винтовой канавки и утолщенной серединой.
Для увеличения диаметров цилиндрических отверстий, полученных после сверления, для обработки отлитых отверстий применяют цельные или насадные зенкеры из быстрорежущей стали или оснащенные пластинками из твердого сплава (ГОСТ 3231-71). Рекомендуется применять цельные зенкеры для сквозных и глухих отверстий, предназначенные для станков с ЧПУ. Обрабатывая отверстия зенкерами, можно получать точность, соответствующую квалитету Н1, и Rz=20 мкм. Для обработки отверстий по квалитету H9 и H7 с допуском на межосевое расстояние до ±0,05 мм или высокими требованиями по отклонению от соосности применять зенкеры не рекомендуется, так как может происходить смещение отверстия из-за отсутствия направляющих втулок.
Широкое применение для окончательной обработки отверстий по квалитетам H9 и H7 на обрабатывающих центрах находят развертки различных типов. Для обработки отверстий диаметром до 10 мм применяют развертки с припаянной рабочей частью из твердого сплава или из быстрорежущей стали (ГОСТ 1672-80). Для больших диаметров (10-32 мм) используют цилиндрические машинные развертки, оснащенные пластинками твердого сплава (ГОСТ 11175-80) или цельные из быстрорежущей стали, а также машинные цельные насадные из быстрорежущей стали. Для обработки отверстий диаметром свыше 50 мм применяются развертки машинные насадные со вставными ножами из быстрорежущей стали (ГОСТ 883-80) или со вставными ножами, оснащенными пластинами твердого сплава.
Предварительную и окончательную обработку отверстий с точностью H7 и H9 на обрабатывающих центрах производят резцами в расточных оправках, резцедержателях и расточных головках. Для обработки отверстий малого диаметра (менее 18 мм) используют борштанги с резцами или резцы к координатно-расточным станкам, где цельная твердосплавная рабочая часть припаяна к стальному хвостовику. Резцы изготовляют с прямой и изогнутой рабочей частью. Такого типа резцы устанавливают в резцедержатели. Для обработки отверстий диаметром свыше 18 мм расточные резцы устанавливают в оправки с регулировкой их положения и повышенной жесткостью оправки или с микрометрической регулировкой, но менее жесткие. Применяются резцы с напаянными пластинами твердого сплава.
Чтобы обеспечить высокую стойкость резцов по сравнению с развертками и зенкерами, необходимы контроль геометрических параметров режущей части и правильная установка резца в оправку. Достаточно низкая стоимость резцов и обеспечение высокой точности способствуют широкому применению растачивания при обработке деталей на обрабатывающих центрах с ЧПУ. При нарезании резьбы с крупным и мелким шагом в сквозном или глухом отверстии с большим пространством для стружки между метчиком и дном отверстия используют метчики с прямыми канавками (ГОСТ 3266-81) или с длинной заборной частью, равной шести шагам. По канавкам таких метчиков стружка легко перемещается в передней части инструмента, так что вероятность заклинивания и поломка метчика незначительны. При нарезании глубокой резьбы в глухих отверстиях следует применять метчики с винтовыми канавками или с короткой заборной частью, равной двум-трем шагам. При работе метчика с винтовой канавкой улучшаются условия для подъема стружки.
Точность нарезаемых резьб определяется степенью точности метчика, конструкцией патрона для нарезания резьбы и точностью позиционирования станка. Фрезерные центры с ЧПУ позволяют производить нарезание резьбы резцом при одновременном перемещении рабочих органов по трем координатам. Для этой операции проектируются резцы, обеспечивающие нарезание резьбы с крупным и мелким шагом для больших диаметров. Важное место занимают операции чернового и чистового фрезерования плоскостей, отверстий и сложных геометрических поверхностей. В зависимости от вида обрабатываемой поверхности применяют торцовые, концевые, дисковые и специальные фрезы. Торцовые фрезы получили широкое применение для обработки открытых поверхностей. Используют торцовые насадные фрезы со вставными ножами из быстрорежущей стали (ГОСТ 1092-80) и из твердого сплава (ГОСТ 9473-80), которые предназначены для фрезерования открытых поверхностей и невысоких уступов деталей из стали и чугуна.
Широкое применение при работе на обрабатывающих центрах находят торцовые насадные фрезы с неперетачиваемыми пластинками из твердого сплава. Они предназначены для скоростного фрезерования открытых поверхностей деталей из стали, чугуна и труднообрабатываемых сталей с припуском 2-4 мм. Конструкция фрез исключает напайку твердого сплава и заточку фрез в собранном виде, обеспечивая повышенную прочность и высокую стойкость режущих кромок.
Такое же широкое применение находят концевые фрезы с цилиндрическим и коническим хвостовиком из быстрорежущей стали (ГОСТ 17025-71, 17026-71) и оснащенные винтовыми пластинками из твердого сплава (ГОСТ 20537-75). Фрезы предназначены для обработки глубоких и мелких пазов, уступов, выборок и криволинейных поверхностей в деталях. Для улучшения отвода стружки и равномерности фрезерования фрезы имеют винтовые стружечные канавки с углом наклона 35-40°. Учитывая, что концевые фрезы больше используют при обработке криволинейных поверхностей, в частности окружностей повышенной точности, соответствующей квалитету H9 и H7, конструкции фрез и технические требования к ним должны быть ужесточены. Повышения жесткости инструмента можно достигнуть путем уменьшения глубины канавки, а также благодаря конической форме сердцевины, при этом глубина канавок переменна. С этой же целью используют концевые фрезы, оснащенные пластинками из твердого сплава, винтовыми или прямыми с короткой режущей частью. Для достижения благоприятных условий резания режущие кромки зубьев прямых пластин наклонены к оси фрезы под углом 5°. При этом направление наклона совпадает с направлением резания. Для обработки сложных криволинейных или сферических поверхностей применяют концевые цилиндрические фрезы с шаровой головкой. Для улучшения условий фрезерования фреза имеет винтовые стружечные канавки с углом наклона ω=30°. Для обработки внутренних выборок, канавок и фрезерования глубоких пазов применяют дисковые трехсторонние цельные фрезы с равнонаправленными зубьями (ГОСТ 9474-73). Для фрезерования шпоночных пазов, мерных выборок и канавок используют шпоночные фрезы из быстрорежущей стали (ГОСТ 9140-78) и оснащенные пластинами из твердого сплава (ГОСТ 6396-78).
Наладка инструмента и эффективное использование обрабатывающих центров с ЧПУ невозможно без подготовки вспомогательной оснастки, предназначенной для закрепления режущего инструмента в шпинделе станка. Вспомогательный инструмент должен обеспечить:
- точность обработки;
- унификацию инструмента;
- возможность использования стандартного и специального вспомогательного инструмента.
Точность обработки корпусных деталей зависит от точности и жесткости вспомогательного инструмента. Эта точность определяется техническими требованиями к хвостовикам вспомогательного инструмента. Кроме того, должно быть обеспечено точное взаимное расположение поверхностей, базирующих режущий инструмент, и хвостовика вспомогательного инструмента, чтобы получить точное и стабильное положение режущей кромки.
Конический хвостовик получил наибольшее распространение при создании вспомогательного инструмента. Недостатком конического хвостовика являются сложность его изготовления и невозможность регулирования инструмента по длине. Преобладает тенденция применять в шпинделе конус, а для регулирования использовать переходную втулку с конусностью 7:24 на цилиндрический хвостовик. Унифицированные хвостовики сокращают число используемого инструмента для группы станков с одинаковым шпинделем.
Система вспомогательного инструмента для станков с ЧПУ, которую используют для станков сверлильно-расточной и фрезерной групп представлена на рис. 2. Система включает оправки с конусностью 7:24 для насадных торцовых фрез с поперечной и продольной шпонкой и цилиндрических фрез с продольной шпонкой, а также оправку, регулируемую для дисковых фрез. Номенклатура выпускаемых оправок охватывает весь диапазон стандартных фрез, выпускаемых промышленностью. Широкое применение получили цанги и цанговые патроны для инструмента, выпускаемого с цилиндрическими хвостовиками, к которому относят концевые фрезы, сверла, зенкера, развертки различных типоразмеров и диаметров. Цанги удобны из-за своей универсальности, и крепление инструмента в цангах является точным. Предпочтительны цанговые патроны, устанавливаемые в шпиндель станка, при этом увеличиваются жесткость инструмента и точность обработки. Чтобы обеспечить обработку отверстий и плоскостей, удаленных от торца шпинделя, в оснастке имеются цанговые патроны разной длины, которые, будучи вставлены в переходную державку, увеличивают вылет инструмента. Учитывая разнообразие инструмента, устанавливаемого в цанговый патрон, комплект оснастки должен включать минимум два-три цанговых патрона с комплектом цанг к каждому. Необходимо обратить внимание на зажим цанг в патроне, так как при длительной работе происходит ослабление зажима и поломка инструмента.
Рис. 2. Вспомогательный инструмент для обрабатывающих центров
Применение конуса 7:24 в шпинделе потребовало создания переходных втулок с внутренним конусом Морзе и наружным конусом 7:24, так как стандартный и специальный режущий и вспомогательный инструмент, как правило, имеет хвостовик с конусом Морзе с лапкой или резьбой. Для различного типоразмера станков переходные втулки с лапкой имеют конус Морзе 2, 3 и 4. Максимально допустимое биение внутренней конической поверхности относительно наружного конуса 7:24 - не более 0,01 мм. Переходные втулки с лапкой предназначены для закрепления сверл, зенкеров, зенковок, разверток, сверлильных и цанговых патронов, переходных втулок (ГОСТ 13598-68) и разрезных переходных втулок, имеющих хвостовик с конусом Морзе с лапкой.
Переходные втулки с резьбой имеют конус Морзе 2, 3 и 4. В отверстий втулки нарезана левая резьба и имеется переходной винт. Установленный предварительно на инструменте винт затягивает инструмент на резьбе втулки. Переходные втулки с резьбой предназначены для закрепления концевых фрез, цанговых патронов и расточных оправок малых диаметров резьбонарезных патронов.
В оснастке кроме переходных втулок обязательно наличие стандартных втулок и разрезных втулок с конусом Морзе. Широкое применение находят сверлильные патроны, которые предназначены для крепления сверл с цилиндрическими хвостовиками. Используют патроны с конусами Морзе и насадные (ГОСТ 15935-79). В комплекте оснастки должно быть не менее четырех-пяти сверлильных патронов. В системе вспомогательного инструмента имеются регулируемые резьбонарезные патроны с хвостовиками двух типов: цилиндрическим, устанавливаемым в переходную державку с возможностью изменения длины, инструмента и с конусом Морзе. Растачивание, особенно чистовое, является одной из самых ответственных операций. Необходимо применять расточной инструмент с наибольшим диаметром и наименьшей длиной оправки, с увеличением длины расточной оправки при неизменном диаметре жесткость ее уменьшается пропорционально кубу отношения длины к диаметру. Для черновой обработки отверстий рекомендуются оправки с использованием стандартных расточных резцов. Для обработки отверстий по квалитету H7 рекомендуются оправки с микрометрическим регулированием. Комплект расточного инструмента должен обеспечить черновую и чистовую обработку отверстий большого диапазона с точностью до квалитета Н7.
Расточные оправки используют для обработки отверстий в двух или нескольких стенках на расстоянии, достаточно удаленном от торца шпинделя. Имеются оправки с двумя окнами в корпусе, в которых винтами закрепляют державочные резцы под углами 60° и 90°. Такое исполнение позволяет производить параллельную или последовательную обработку двух поверхностей, например расточку ступенчатых отверстий или отверстия с большим припуском, расточку отверстия и снятие фаски. Расточные оправки предназначены для черновой и чистовой обработки отверстий диаметром 22-180 мм. Для черновой обработки резцы настраивают по диаметру универсальным измерительным инструментом, для получистовой - с помощью прибора настройки инструмента вне станка. Комбинированные оправки применяют в случае большой номенклатуры инструмента и недостаточной емкости магазина.
Для чистовой расточки применяют расточную оправку с микрометрической регулировкой резца. Предварительная настройка резца производится в раскрепленном состоянии винтов, при этом не происходит вращения державки из-за наличия шпонки. Точную настройку резца на размер производят лимб-гайкой. Диапазон регулирования - в пределах 3-15 мм в зависимости от размера оправки. Оправки предназначены для обработки отверстий диаметром 45-180 мм. Применение указанных расточных оправок целесообразно, когда предварительная настройка инструмента вне станка не обеспечивает высокой точности и необходима дополнительная инструментальная наладка по первому расточенному отверстию. Оправки имеют недостаток - малую жесткость из-за наличия дополнительных стыков. Однако при малых припусках на окончательную расточку целесообразно применение данной оправки.
Для обработки точных отверстий диаметром 12-18 мм могут быть использованы расточные оправки для резцов с пластинками из твердого сплава с хвостовиком (конусность 7:24) или же конусом Морзе. Для обработки точных отверстий диаметром менее 12 мм используют расточные резцы или специальные расточные головки с неперетачиваемыми твердосплавными многогранными пластинками. Для достижения максимальной производительности следует стремиться к возможно большему числу режущих, кромок, но при этом возрастают сложность конструкции и ее стоимость. Наиболее приемлемыми в этом случае являются двухлезвийные расточные головки. При этом надо учитывать, что чем меньше кромок, тем меньше погрешностей формы и положения обрабатываемого отверстия.
Для подрезки торцов при обработке ступенчатых отверстий с большим перепадом диаметров используют двусторонние резцы, устанавливаемые в оправки. Имеются расточные оправки, предназначенные для обработки отверстий и подрезки торцов диаметром 45-200 мм. В корпусе оправки имеется паз для установки двустороннего резца. Центрирование и зажим двустороннего резца осуществляются центральным болтом с переднего торца. Биение главных режущих кромок резца относительно конуса 7:24 - не более 0,01 мм. Оправка имеет сменную направляющую втулку, устанавливаемую на корпусе перед резцом. При подрезке торца направляющая втулка ориентирует оправку по отверстию. Кроме оправок для подрезки торцов и растачивания глухих отверстий диаметром 50-120 мм спроектированы расточные оправки, в которых точно обработанный паз для установки двустороннего резца сделан в переднем торце оправки. Резец зажимается двумя винтами и может регулироваться на размер по диаметру (рис. 3, а). В обрабатывающих центрах возможно нарезание резьбы резцом. Для этого система ЧПУ согласовывает перемещение резца с подачей шпинделя. Для установки резца необходимо использовать расточные оправки с отверстием под углом 90°, что позволяет нарезать сквозные и глухие отверстия. Используют жесткие стандартные оправки с хвостовиком типа конус Морзе, устанавливаемым в переходные втулки с лапкой. Насадные зенкера и развертки устанавливают на конус с конусностью 1 : 30 и фиксируют от проворота зубьями втулки, установленной на оправку. Так как конус 1:30 самотормозящий, для стягивания с него развертки применяют гайку. Погрешности установки оправки и втулки в шпинделе, а также погрешности позиционирования в сочетании с жесткостью самой оправки могут привести к неправильной форме обрабатываемого отверстия. Чтобы избежать брака при обработке отверстий развертками, используют плавающий патрон или плавающую оправку.
Рис. 3. Оправки обрабатывающих центров: а - оправка для подрезных пластин; б - плавающая оправка для насадных разверток и зенкеров
Известна конструкция плавающей оправки для насадных разверток и зенкеров (рис. 3, б), которая состоит из корпуса 1 с хвостовиком и оправки 2 с конусностью 1:30. В корпусе имеется цилиндрическое отверстие, куда устанавливается оправка. Вылет по длине регулируется болтом 3. Крутящий момент воспринимается корпусом через штифт 4. Фиксация развертки или зенкера осуществляется, как в стандартных оправках, втулкой с зубьями. «Плавание» оправки в корпусе происходит за счет зазора. В системе регулирования инструмента осевая регулировка осуществляется вспомогательным инструментом. В шпинделе станка крепится державка, которая имеет внутреннее цилиндрическое отверстие, выполненное по квалитету Н7. В отверстии закрепляют цилиндрический хвостовик регулируемого инструмента. Такие хвостовики взаимозаменяемы на станках с различным креплением инструмента. Эффективная работа обрабатывающих центров с ЧПУ невозможна без многономенклатурной системы вспомогательного инструмента, обеспечивающего обработку разных поверхностей в корпусных деталях. Наличие указанной номенклатуры вспомогательного инструмента позволяет в 3-4 раза быстрее освоить фрезерный обрабатывающий центр с ЧПУ и добиться на нем больших коэффициентов загрузки и производительности труда.
