Координатный обрабатывающий центр или многоцелевой станок - это металлорежущий станок, предназначенный для комплексной обработки сложных деталей путем последовательного выполнения различных видов механической обработки, имеющий систему числового программного управления (ЧПУ) и оснащенный системой автоматической смены инструментов (АСИ).
Обрабатывающие центры с ЧПУ являются универсальным оборудованием и по виду обрабатываемых заготовок и характеру преобладающих выполняемых переходов их можно разделить на три группы:
- сверлильно-фрезерно-расточные с главным движением - вращением инструмента и компоновкой, аналогичной фрезерным, расточным, сверлильным станкам, предназначенные для обработки призматических деталей;
- токарно-сверлильно-фрезерно-расточные с главным движением - вращением детали или инструмента и компоновкой, аналогичной компоновке станков токарной группы, предназначенные для обработки в основном деталей типа тел вращения;
- с выполнением разнородных переходов и оригинальной компоновкой.
Данные станки отличаются особо высокой концентрацией обработки. На них производят черновую, получистовую и чистовую обработку сложных заготовок, содержащих различные обрабатываемые поверхности, выполняют самые разнообразные технологические переходы. Во многих случаях обрабатывающие центры с ЧПУ обеспечивают высокоэффективную полную обработку деталей без переустановки и перебазирования. С этой целью в современных конструкциях фрезерных обрабатывающих центров предусматривается наличие поворотных узлов. В станках для обработки призматических деталей применяют поворотные конструкции шпиндельной головки и стола с периодическим или непрерывным движением по одной или двум (стол глобусного типа) координатам. При необходимости возможно дополнительно комплектовать станки поворотно-подвижными столами различных типов (рис. 1). Столы обеспечивают перемещение заготовки во время ее обработки с высокой точностью и большим диапазоном подач в позиционном и непрерывном режимах. Управление работой стола осуществляется от системы ЧПУ станка или от собственной автономной системы ЧПУ.
Рис. 1. Поворотно подвижный стол координатного обрабатывающего центра с ЧПУ
В станках для обработки деталей типа тел вращения предусматривается движение точного позиционирования шпинделя с заготовкой.
Для последовательного выполнения по программе большого числа разнообразных переходов обрабатывающие центры обязательно имеют быстродействующую систему автоматической смены инструмента (АСИ) манипуляторного или безманипуляторного типов. Необходимый запас инструментов создается в револьверных головках или инструментальных магазинах барабанного или цепного исполнений. Для обеспечения автоматической смены режущего инструмента при использовании инструментальных магазинов в системе АСИ применяют вспомогательный инструмент со стандартными конструкциями хвостовиков различных типов и исполнений (рис. 2).
Рис. 2. Конструктивные исполнения хвостовиков вспомогательных инструментов: а - хвостовик для ручной смены инструмента по ГОСТ 25827-93 исп. 1, ISO 297-88, DIN 2080; б - хвостовик по ГОСТ 25827-93 исп. 2, ISO 7388/1-83, DIN 69871A; в - хвостовик по ГОСТ 25827-93 исп. 3, DIN 69871/A; г - хвостовик по ISO 7388/1, DIN 69871-B; д - хвостовик MAS 403 BT; е - хвостовик HSK тип A по ГОСТ Р51547, DIN 69893
В настоящее время в современных высокоскоростных координатных обрабатывающих центрах отечественного и зарубежного производства для стабильного обеспечения требуемого качества обрабатываемых поверхностей применяют новый вид конструкции хвостовика (тип HSK) вспомогательного инструмента и его зажима в шпинделе. Такая конструкция обеспечивает высокую жесткость соединения за счет не только конусно-цанговой части, но и за счет прижима оправки к торцу шпинделя.
Рис. 3. Геометрические параметры хвостовиков вспомогательного инструмента
С целью возможности применения стандартизированного вспомогательного инструмента конструкции передних концов шпинделей координатных обрабатывающих центров унифицированы и стандартизированы (рис. 4).
Рис. 4. Конструктивные исполнения передних концов шпинделей обрабатывающих центров для обработки призматических деталей
Большинство моделей современных фрезерных центров с ЧПУ для обработки призматических деталей оснащаются системами автоматизированной смены заготовок (AC3). При этом заготовка устанавливается на сменном столе-спутнике (палете) и вместе с ним она попадает на основной стол станка.
Рис. 5. Столы-спутники для вертикальных обрабатывающих центров
Установку заготовки на стол-спутник и снятие обработанной детали производят во время работы станка. С целью обеспечения возможности применения нормализованной технологической оснастки конструкции столов-спутников в координатных обрабатывающих центрах также унифицированы и нормализованы (рис. 5 и 6).
Рис. 6. Столы-спутники для горизонтальных обрабатывающих центров
Координатные обрабатывающие центры выпускаются как с традиционной компоновкой станков соответствующих групп, так и с оригинальной. Компоновка обрабатывающих центров с ЧПУ в первую очередь определяется его технологическими возможностями, но если проанализировать новые виды современных обрабатывающих центров, у всех есть единая концепция - очень жесткая, неподвижная («рамная») базовая конструкция и «легкие» перемещаемые узлы.
Для всех станков с ЧПУ, в том числе и для обрабатывающих центров, принята единая система обозначения координат, рекомендованная международной организацией по стандартизации (ISO). Все перемещения рассматривают в прямоугольной системе основных осей координат X, Y, Z (рис. 7).
Рис. 7. Правая прямоугольная система координат обрабатывающего центра: а - вертикальная компоновка; б - горизонтальная компоновка
Положение осей координат и положительные направления перемещений относительно них принимают в соответствии с правилом правой руки (рис. 8). Ось Z совпадает или параллельна оси главного шпинделя. Положительное направление оси (+Z) соответствует направлению удаления инструмента от заготовки.
Кроме перемещений относительно основных осей координат, возможны перемещения относительно вторичных (U, V, W), параллельных основным и третичным (P, Q, R), осям.
Эффективность современных координатных обрабатывающих центров в сравнении с одноцелевыми станками достигается не только за счет сокращения времени транспортировки деталей и уменьшения подготовительно-заключительного времени, но и за счет возможности обеспечения высокоскоростной обработки заготовок как из черных, так и из цветных металлов.
Рис. 8. Правила правой руки: а - правило определения положения и направлений осей; б-правило определения положительного направления вращения вокруг осей
Приводы главного движения координатного обрабатывающего центра обеспечивают очень широкий диапазон регулирования (n max до 24000...30000 мин-1) с бесступенчатым изменением частоты вращения шпинделя.
В большинстве случаев в приводах главного движения более ранних моделей фрезерных центров применяются регулируемые электродвигатели в сочетании с шестеренными коробками диапазонов на две или три ступени. Все новейшие модели станков оснащаются высокоскоростными мотор-шпинделями. В приводах подач применяются в основном высокомоментные электродвигатели и шариковые винтовые передачи. Однако в настоящее время многие станкостроительные фирмы предлагают координатные обрабатывающие центры с принципиально новыми приводами подач, оснащенными линейными двигателями, обеспечивающими перемещения подвижных узлов с максимальными скоростями до 120...200 м/мин.
Координатные обрабатывающие центры имеют чаще всего контурную или комбинированную микропроцессорную систему ЧПУ, обеспечивающую автоматическое управление с высокой степенью точности и гибкости при многокоординатной обработке разнообразных деталей.
Шести - и более координатные обрабатывающие, называемые «гексаподами», в основном применяются в области авиакосмических технологий при обработке сложных профилей у деталей из труднообрабатываемых материалов. Наибольшее распространение получили 3 и 5 координатные фрезерные обрабатывающие центры пятикоординатные станки, используемые на производствах самого широкого профиля.
Современные многоцелевые станки отличаются высокой точностью перемещений узлов, жесткостью конструкции и наличием надежных многофункциональных систем ЧПУ. Благодаря этому имеется возможность контроля обрабатываемых заготовок и деталей непосредственно на станке при помощи измерительных головок без передачи изделия на координатно-измерительные машины.
Для координатных обрабатывающих центров любой модели технологические возможности определяются помимо обычных параметров технической характеристики рядом специфических показателей. К ним в первую очередь относятся: емкость инструментального магазина, характеристика инструментального блока, время смены инструмента, размеры рабочего пространства, количество столов-спутников, их размеры, время смены столов-спутников, тип системы управления, число одновременно управляемых координат, дискретность и точность перемещений по координатам и др. Наличие информации о технических характеристиках и конструктивных особенностях современных обрабатывающих центров позволит правильно выбирать и эффективно применять их в условиях переналаживаемых производств как в виде самостоятельных единиц оборудования, так и в составе гибких производственных систем (ГПС).
Движения в координатных обрабатывающих центрах
Координатные обрабатывающие центры, как правило, имеют приводы подач, представляющие собой шарико-винтовые пары, связанные соединительными муфтами (рис. 9) с высокомоментными электродвигателями. Между корпусом 1 муфты и валом 2 установлены тонкие конические втулки 3, затягиваемые в коническое отверстие корпуса винтами 4. При этом втулки радиально деформируются и плотно охватывают вал. Корпуса 1 и 6 соединены между собой стальным гофрированным кольцом 5 (сильфоном), допускающим некоторое смещение или перекос осей валов, но исключающим их относительный поворот.
Рис. 9. Сильфонная муфта
Устройство передачи ходовой винт-гайка качения показано на рис. 10. Винт 4 растянут между опорами 2 и 5 гайками 1 и 6, а в паре винт 4 - гайка 3 создан предварительный натяг. Такое двухопорное крепление растянутого винта компенсирует погрешности монтажа и температурные деформации.
В качестве направляющих подвижных узлов координатных обрабатывающих центров, как правило, используют направляющие качения. В станках этого типа применяются гидростатические направляющие и аэростатические направляющие, а также полимерных материалов на основе фторопласта, обеспечивающих коэффициент трения покоя 0,002-0,003.
Рис. 10. Крепление ходового шарикового винта
Смена инструмента в координатных обрабатывающих центрах
Низкий коэффициент трения покоя всех видов направляющих диктует необходимость введения устройств для зажима подвижных узлов обрабатывающих центров. Устройство автоматической смены инструмента, применяемое в обрабатывающих центрах, может отличаться конструкцией и может быть укрупненно разделено на три группы: устройства, обеспечивающие смену инструментов путем поворота револьверной головки, в которой они установлены; устройства для автоматической смены инструментов без автооператора; устройства для смены инструментов с автооператором.
Устройства первой группы по конструкции мало отличаются от устройств, применяемых в токарно-револьверных станках и автоматах. Единственным отличием является обеспечение выборочного поворота револьверной головки в любом направлении и установка ее в любой позиции.
В устройствах второй группы предусмотрен перенос инструментов из магазина в шпиндель станка и обратно только за счет движений, сообщаемых магазину и шпинделю. Есть конструкции, в которых магазин 1 размещен соосно со шпинделем 2 (рис. 11, а), и конструкции, в которых ось магазина 1 параллельна оси шпинделя 2 (рис. 11, б, в).
Рис. 11. Устройства для автоматической смены инструмента с магазином, расположенным соосно со шпинделем (а) и параллельно ему (б, в)
Недостатком устройств этой группы является большая потеря времени на перегрузку инструментов, так как она связана с перемещениями узлов значительной массы. Кроме того, вместимость магазина относительно невелика (12-15 инструментов).
В устройствах третьей группы (рис. 12) реализована смена инструментов с помощью автооператоров 1, одного или двух. Автооператор - приспособление малой массы, совершающее поворотное и осевое движения и перемещающее инструменты из магазина 2 в шпиндель 3 станка и обратно. Магазины этих устройств большой вместимости (до 100 инструментов) дискового или цепного типа располагают вне станка на отдельных стойках или на верхнем торце стойки станка.
Рис. 12. Устройства для автоматической смены инструмента с автооператором и магазином: а - дисковым; б - цепным; в - расположенным на стойке станка
