Токарные станки с автоматической сменой инструмента также являются грозными соперниками в борьбе за право называться обрабатывающими центрами. В целом было разработано большое количество обрабатывающих центров на базе токарных станков, отличающихся формой и технологическими возможностями. За станками с вертикальной компоновкой, центровыми станками, токарно-револьверными станками с плоской револьверной головкой, вертикальными и наклонными станками для патронных работ с одной или двумя револьверными головками, станками с укороченной станиной, станками с удлиненной поперечной кареткой последовали фрезерные обрабатывающие центры с ЧПУ и токарные станки с автоматической сменой инструмента и станки с вертикальной компоновкой, с дополнительными боковыми фрезерно-сверлильными головками.
Выпущенный в Англии фирмой Alfred Herbert многооперационный станок «токарный обрабатывающий центр» (рис. 1) может служить хорошим примером быстрого развития возможностей токарных станков с ЧПУ и скорости с которой совершенствуются многооперационные станки с ЧПУ. По внешнему виду станок похож на большой токарный станок для обработки в патроне с двойной станиной и магазином для автоматической смены инструмента, установленным в правой части станка. На этом, однако, сходство кончается, так как позади хвостовика шпинделя есть два встроенных узла, придающие станку универсальность. На задней каретке расположен первый из этих узлов вспомогательный привод мощностью 1,5 hp, с которым могут автоматически сцепляться вращающиеся инструменты. Вторым устройством является прецизионная система индексации шпинделя, управляемая по программе от перфоленты. С помощью этой системы можно установить и закрепить шпиндель в любом заранее запрограммированном положении по углу поворота с дискретностью 1/10000 оборота. Эти устройства, а также такие дополнительные приспособления, как сверлильные шпиндели, многошпиндельные сверлильные головки и головки для обработки под прямым углом, позволяют производить на станке операции, как в направлении вдоль оси шпинделя, так и в поперечном направлении. Среди этих операций сверление, нарезание резьбы метчиками, фрезерование лысок и шпоночных канавок, а также фрезерование шлицев в полярных координатах. Перечисленные операции могут быть включены в обычный цикл токарных и расточных операций и не нарушают настройку станка.
Рис. 1. Токарный обрабатывающий центр компании Alfred Herbert (Великобритания)
Для нарезания резьбы гребенками система управления токарного обрабатывающего центра обеспечивает точную связь между перемещением суппорта и вращением шпинделя. Перемещения обоих суппортов вдоль продольной и поперечной осей управляются по командам контурной системы ЧПУ. Система работает так, что в в каждый момент времени в резании участвует только один суппорт. Обычно в то время как один суппорт ведет обработку, во втором происходит смена инструмента. После окончания смены инструмента неработающий суппорт подводится вплотную к обрабатываемой детали; он готов к началу операции как только второй суппорт закончит свой цикл. Процесс замены инструмента является частью цикла обработки и происходит автоматически в то время, когда система управляет движением второго суппорта и шпинделем.
Все инструменты, за исключением вращающихся, можно использовать на обоих суппортах. Один и тот же инструмент может быть установлен на нижнем суппорте, затем перенесен в общий инструментальный магазин емкостью 13 инструментов, откуда он может попасть в верхний суппорт. Вместо инструмента в любом из суппортов может быть установлен центр для поддержания обрабатываемой детали.
Для смены инструмента соответствующий суппорт отводится назад до конца направляющих. Магазин, поворачиваясь, проходит мимо считывающего устройства кодирования инструментов, останавливающего его в положении, при котором требуемый инструмент окажется против отработавшего инструмента в суппорте. Затем передающая головка одновременно вынимает новый инструмент из магазина и старый из суппорта, поворачивается на 180° и меняет инструменты местами. Такое устройство смены инструмента позволяет в каждый момент времени нахождению в станке до 15 инструментов: два в суппортах и 13 в магазине.
Инструменты можно устанавливать в магазин в произвольном порядке, так как каждая державка инструмента имеет свой съемный кодовый ключ. Ключ вынимают вместе с державкой, и он остается с ней все время, пока инструмент используется на станке. Точное положение и жесткость инструмента в державке обеспечиваются применением муфт с мелким зубом; фиксация инструмента осуществляется центрирующими вставками типа ласточкина хвоста. Зажим происходит с помощью круговых пазов, в которых заклинивается шарик.
Принцип установки магазина с инструментами на поперечном суппорте использован также фирмой Маx Müller (ФРГ) в станке модели MDW-10-NC. Магазин установлен на наиболее удаленном от патрона конце суппорта. Магазин (рис. 2) представляет собой индексируемый барабан с девятью аксиально расположенными гнездами для инструментов с державками, которые выдвигаются на роликах из этих гнезд и зажимаются на суппорте, двигаясь параллельно оси шпинделя. На смену инструмента требуется около 6 с. Масса магазина и державок с инструментами компенсируется гидравлическим противовесом. Многие западно-европейские обрабатывающие токарные центры оснащены системой автоматической смены инструментов.
Рис. 2. Магазин с инструментами станка MDW10 компании Мах Müller (ФРГ)
Рис. 2. Магазин с инструментами станка MDW10 компании Мах Müller (ФРГ)
Режущие инструменты для токарных обрабатывающих центров
Большую часть токарных станков с ЧПУ составляют станки с укороченной станиной, предназначенные для обработки в патроне. Конструкция этих станков основана на исследованиях, проведенных проф. Опитцем и его коллегами в Аахене (ФРГ) и в Станкостроительной исследовательской ассоциации в Англии в области статистического распределения типоразмеров деталей, встречающихся в обычной производственной практике. Результаты анализа показывают, что более ⅔ деталей, обработанных на токарных станках, имеют форму диска с отношением длины к диаметру, меньшим единицы. Многие из этих станков для патронных работ имеют вертикально расположенные или наклонные станины. Такая конструкция позволяет ускорить установку заготовок, облегчает смену инструментов и упрощает отвод стружки.
Автоматическая смена инструментов требуется не для всех случаев применения токарных станков с ЧПУ. Многие производители станков не убеждены в необходимости устанавливать такие устройства на станки.
Опыт, накопленный в области инструментальной оснастки за многие годы применения станков со штекерными коммутаторами (с цикловой системой управления), а также последние сведения о типоразмерах обрабатываемых деталей показывают, что для обработки большинства деталей достаточно использовать ограниченное число токарных и расточных режущих инструментов, которые благодаря применению в станках с ЧПУ обладают широкими и разнообразными возможностями.
Например, компания Heyligenstaedt (ФРГ) устанавливает на станке для патронных работ модели «Неynumat F» (рис. 3) трехпозиционную револьверную головку с инструментами для наружной обработки и четырехпозиционную револьверную головку с инструментами для расточки. На этом станке поворот твердосплавных пластинок резцах или смена их производятся при износе режущих кромок. Режущие кромки выставляются вне станка с помощью прибора. Стружка и грязь не мешают закреплению резцов, поскольку они постоянно находятся в револьверной головке.
Рис. 3. Револьверная головка токарного центра для патронных работ «Heynumat F» компании Heyligenstaedt (ФРГ)
В результате тщательного исследования были определены конструкции стандартных резцов, отвечающих условиям применения в станках с ЧПУ, и даны рекомендации по выбору инструментов в соответствии с характером обработки. В станке «Pinumat» (рис. 4) компании Pittler (ФРГ) учтены эти рекомендации. Станок предназначен для обработки деталей, имеющих форму диска, из предварительно необработанных заготовок партиями до 50 шт. Главной особенностью станка являются длинные поперечные салазки, на которых с помощью прецизионного крепежного устройства в форме ласточкина хвоста устанавливается до пяти инструментов. Некоторые из них содержат по две сменных режущих пластины, закрепленные на расточной борштанге: одна пластина предназначена для точения, вторая для обработки торцов. Эти инструменты могут быть использованы для обработки как внутренних, так и наружных поверхностей, для чего требуется лишь изменить направление вращения шпинделя. Фактически каждый из инструментов выполняет четыре различные функции. Всего два постоянно закрепленных режущих инструмента (один для черновой, а другой для чистовой обработки) по утверждению фирмы выполняют работу восьми отдельных инструментов.
Рис. 4. Токарный центр «Pinumat» компании Pittler (ФРГ)
Удачными токарными станками для обработки в центрах и токарно-револьверными станками с горизонтально расположенными станинами следует признать станки, выпущенные в США. Типичным примером может служить станок фирмы Jones and Lamson (рис. 5).
Токарные станки для обработки деталей типа валов обычно построены по принципу токарно-копировальных станков с вертикальными или наклонными суппортами, в которых инструменты устанавливаются над обрабатываемой деталью. Токарный станок с ЧПУ модели «Sculford» для обработки в центрах имеет вертикально расположенную станину, по которой перемещается вертикальный суппорт с четырехпозиционной револьверной головкой.
Некоторые из этих станков сохранили для контурной обработки шаблоны, используемые в токарно-копировальных станках. В качестве примера можно упомянуть два таких станка: «Heycomat 2» компании Heyligenstaedt (ФРГ) и «Somula S Pilote» компании Ernault. Станок «Ernault Somula» имеет два суппорта; один расположен впереди и предназначен для чернового точения и управляется позиционной системой ЧПУ, второй суппорт установлен сзади и предназначен для чистовой обработки по шаблону. Новые разработки показывают, однако, что имеется тенденция к исчезновению таких компромиссных решений, и все большее число производителей оснащают станки для контурных работ системами ЧПУ, полностью обеспечивающими управление.
Рис. 5. Токарно-револьверный станок «American» фирмы Jones and Lamson (США)
