В данной статье рассмотрим обрабатывающие центры с ЧПУ на базе расточных станков. Оригинальным обрабатывающим центром, построенным по схеме горизонтально-расточного станка, следует считать модель NCMC 100 фирмы Hüller (ФРГ) (рис. 1, а) с перемещающейся колонной. Станок снабжен четырехъярусным магазином на 100 инструментов (массой до 35 кг каждый). Инструментальный магазин расположен на задней стороне колонны. Шпиндельная головка содержит два шпинделя (фрезерный шпиндель для тяжелых работ и расточной). Поворотом шпиндельной головки на 180° один из шпинделей устанавливается в рабочее положение (рис. 1, б). В то время как один шпиндель обрабатывающего центра ведет обработку, можно менять инструмент во втором шпинделе. Простаивание станка из-за смены инструмента сводится ко времени, необходимому для индексации шпиндельной головки, и равняется примерно 3 с. Для перемещения инструмента из магазина к шпинделю используются два механизма: один расположен на задней стороне колонны, а другой на той же стороне, на которой установлена шпиндельная головка. Механизм, расположенный на задней стороне колонны, перемещается по вертикальным направляющим от одного яруса магазина до другого. Этот механизм, кроме того, устанавливается точно против второго механизма, перемещающегося синхронно с движением вверх и вниз шпиндельной головки. Инструменты имеют индивидуальные номера и хранятся в магазине каждый на своем месте, в которое они возвращаются после работы.
Рис. 1. Обрабатывающий центр NCMC 100 фирмы Hüller (ФРГ): а - общий вид станка; б - шпиндельная головка с двумя шпинделями
Хотя один из шпинделей предназначен для тяжелых фрезерных работ, а второй для расточки, для большинства операций можно пользоваться любым из шпинделей. Только при тяжелой фрезеровке (съем до 650 см3/мин при обработке низкоуглеродистой стали) или тонкой расточке необходимо стремиться, чтобы инструмент был установлен в соответствующем шпинделе. При подготовке программы можно предусмотреть, чтобы последовательно используемые инструменты не вставлялись в один и тот же шпиндель. Системы программного управления позволяют производить компенсацию изменения длины для 20 инструментов и радиуса для 5 инструментов, однако при необходимости компенсацию можно предусмотреть для всех 100 инструментов.
Хорошим примером американского обрабатывающего центра на базе горизонтально расточного может служить станок модели 3B из гаммы «Milwaukee-Matic» компании Kearney & Trecker. Станок 3B (рис. 2) снабжен инструментальным магазином цепного типа, расположенным горизонтально наверху колонны. В магазине размещается до 60 предварительно настроенных на размер инструментов, устанавливаемых в любом порядке (в станках «Milwaukee-Matic» моделей 2, 3 и 5 использованы магазины барабанного типа).
Рис. 2. Станок 3B из гаммы обрабатывающих центров «Milwaukee-Matic» компании Kearney & Trecker (США)
Система кодирования инструментов позволяет закодировать до 32767 инструментов. Устройство автоматической смены инструмента обрабатывающего центра способно принимать инструмент с наибольшим диаметром 114 мм. При выборочной загрузке в магазин и соответствующей подготовке программы можно использовать инструменты диаметром до 165 мм. Инструменты диаметром до 304 мм и массой до 27 кг можно применять при соблюдении определенных условий (например, установка их в цепной магазин возможна только, если соседние гнезда свободны). Вручную можно устанавливать в шпиндель инструменты еще больших размеров.
В системе, применявшейся в станках «Milwaukee-Matic» моделей 2, 3 и 5, использованы различные комбинации десяти кодовых колец большого и малого диаметра (две группы по пять колец), что позволило кодировать до 961 предварительно настроенного на размер инструмента. В новой системе использованы более тонкие кодирующие кольца (три группы по пять колец), а также новая считывающая головка. Во всех типах станков используют взаимозаменяемые державки инструментов. Станки «Milwaukee-Matic» снабжены двусторонней механической рукой, которая, поворачиваясь на 180°, забирает из магазина новый инструмент и вставляет его в шпиндель, одновременно возвращая отработавший инструмент в магазин.
Система управления собрана на интегральных схемах. Ее используют для двух модификаций станка - для управления в режиме 3L (трехкоординатная система прямолинейного путевого ЧПУ) и в режиме 2C, L (2½ - координатная система контурно-путевого ЧПУ).
Точность обрабатывающих центров 3B может быть двух классов, так называемый «коммерческий» вариант (±0,025 мм) и прецизионный (±0,013 мм). Станок может быть оснащен стендом для челночных платформ-спутников. Обрабатывающие центры со сменными столами позволяют устанавливать заготовки на спутники, находящиеся вне зоны обработки, и быстро заменять их в перерыве между циклами обработки.
Привод шпинделя осуществляется от двухскоростного гидродвигателя мощностью 10 hp через коробку передач, имеющую 16 скоростей от 60 до 2400 об/мин. Все станки «Milwaukee-Matic» оснащены специальным устройством защиты от перегрузок, автоматически снижающим запрограммированную подачу до окончания любой операции, в ходе которой появилась перегрузка. При снятии перегрузки система автоматически восстанавливает запрограммированную подачу. Если перегрузка достигает аварийных размеров, специальное устройство останавливает перемещения по всем осям.
На английском станке MEC3 «Min-E-Centre» (рис. 3) фирмы Marwin применен довольно необычный и недорогой метод автоматической смены инструментов. В центре стола расположен двусторонний магазин с инструментами. Он имеет съемные боковые платы с пружинными держателями, в которых устанавливаются инструменты; положение инструментов может быть определено координатами X и Y. В магазин можно поместить довольно тяжелые инструменты и даже многошпиндельные головки. Емкость магазина - 40 инструментов по 20 с каждой стороны. Магазин поворачивается, и сторона с инструментами оказывается напротив шпинделя станка. Установка инструментов в шпинделе и их возврат в магазин осуществляются при перемещении шпинделя по осям X, Y и Z без помощи дополнительного механизма. Средняя продолжительность перерыва обработки при смене инструментов 25 с.
Рис. 3. Обрабатывающий центр MEC3 «Min-E-Centre» компании Marwin (Великобритания)
Станок предназначен для обработки со снятием значительных припусков на деталях, имеющих габариты до 610х610х610 мм. На неподвижной станине размещена перемещающаяся колонна: по ее вертикальным направляющим движутся салазки. Шпиндельная головка перемещается в поперечном направлении по горизонтальным направляющим салазок. Таким образом все основные движения станка сосредоточены в одном узле. Рабочий стол является независимым узлом и может занимать положение, наиболее удобное в конкретных условиях. Стол станка оснащается двумя независимыми друг от друга поворотными столами размером 508x508 мм, каждый поворотный стол может индексироваться в четырех положениях. Столы расположены по обе стороны от магазина. Это позволяет устанавливать новую деталь во время обработки предыдущей. Вместо этих столов могут быть установлены столы, индексируемые на 72 положения, или столы с непрерывным вращением.
Все перемещения осуществляются от гидравлических двигателей через устройство передачи ходовой винт-гайка качения. Шпиндель приводится от гидравлического двигателя мощностью 15 hp через трехступенчатую коробку скоростей. Всего имеется 230 ступеней частот вращения в пределах от 20 до 4000 об/мин. Ускоренные перемещения агрегатов по всем осям осуществляются со скоростью 7,62 м/мин.
Обрабатывающий центр на базе горизонтально-расточного станка
На рис. 4 приведена компоновка обрабатывающего центра, выполненного на базе горизонтально-расточного станка. Стойка 3 перемещается по горизонтальным направляющим станины в направлении, совпадающем с направлением оси шпинделя 1. Стол станка состоит из двух частей: нижняя часть 10 перемещается по горизонтальным направляющим станины в направлении, перпендикулярном оси вращения шпинделя; верхняя часть 11 - поворотная. Шпиндели центров установлены в выдвижной пиноли. Шпиндельная бабка 2 перемещается по вертикальным направляющим стойки. Станок снабжен инструментальным магазином 5, выполненным в виде бесконечной цепи, звенья которой несут гнезда для размещения оправок с инструментами. Из магазина требуемый инструмент извлекает автооператор 4 и передает его в шпиндель станка. На станине 8 установлен дополнительный стол 9 с приспособлением-спутником 7, на котором закрепляют подготовленную к обработке заготовку 6. В начале цикла обработки приспособление-спутник вместе с заготовкой перемещается по столу 9 в направлении стола 10 станка, который в этот момент установлен в положение загрузки. После передачи приспособления-спутника с заготовкой на поворотный стол 11 станка и закрепления его нижний стол 10 станка перемещается в зону обработки. С противоположной стороны установлен аналогичный дополнительный стол 12 с приспособлением-спутником, на котором во время обработки предыдущей заготовки закрепляют последующую. После полной обработки деталь возвращается на стол 9, и следующая заготовка со стола 12 устанавливается в зону обработки. Такой «маятниковый» способ загрузки детали позволяет совместить вспомогательное время, затрачиваемое на закрепление детали, с машинным временем обработки, что существенно повышает производительность станка.
Рис. 4. Обрабатывающий центр выполненный на базе горизонтально-расточного станка
Если обрабатывающий центр (рис. 5) скомпонован на базе горизонтально-расточного станка, то внутри основного полого шпинделя 1 располагают выдвижной расточной шпиндель 2, причем оба шпинделя имеют автономные устройства для закрепления инструмента.
Рис. 5. Шпиндельный узел обрабатывающего центра выполненного на базе фрезерно-сверлильно-расточного станка
Известны устройства смены инструмента, имеющие промежуточную позицию, в которой временно находится перемещаемый инструмент «позиция ожидания». В этом случае медленное вращение магазина большой вместимости, при условии кодирования гнезда магазина, совпадает со временем обработки, а подготовленный к загрузке в шпиндель или извлеченный из шпинделя инструмент находится в позиции ожидания. На рис. 6 приведено устройство такого типа для обрабатывающих центров с горизонтальным расположением шпинделя.
Рис. 6. Устройство для автоматической смены инструмента с автооператором и позицией ожидания
Три инструментальных магазина 1, 2, 3 вместимостью до 30 инструментов установлены на отдельной стойке. Поворотное гнездо 5 позиции ожидания и основной автооператор 6 размещены на шпиндельной бабке 4. Для переноса инструментов из магазинов в позицию ожидания и обратно служит дополнительный автооператор 7, который может поворачиваться вокруг своей оси и перемещаться вертикально по дополнительным направляющим стойки 8. Таким образом, загрузка позиции ожидания и шпинделя может происходить при любом положении шпиндельной бабки. Автооператор 7 забирает инструмент из любого магазина и переносит его в позицию ожидания. Гнездо позиции ожидания поворачивается на 90°, что обеспечивает установку его в плоскости действия автооператора 6, обеспечивающего загрузку и удаление инструмента.
Устройства для зажима инструментов в шпинделе станка мало отличаются от устройств для механизированного зажима, применяемых в станках общего назначения. В наиболее распространенных зажимных устройствах зажим осуществляется пакетом тарельчатых пружин, а разжим - гидроцилиндром. В устройствах для автоматической смены инструмента передний конец тяги оснащен замком, который может быть выполнен в виде шарикового, цангового, рычажного или кулачкового захвата, взаимодействующего с переходником, ввернутым в резьбовое отверстие оправки инструмента.
В поворотных рычагах автооператоров оправки инструментов закрепляют подпружиненными фиксаторами, которые отводятся кулачками. В гнездах магазинов оправки инструментов закрепляют подпружиненными защелками, срабатывающими при осевом перемещении оправки.
