Одно из направлений развития современных обрабатывающих центров с ЧПУ - использование принципа агрегатирования при их проектировании, что позволяет создавать фрезерные центры для обработки геометрически подобных деталей разных размеров, используя блочный принцип построения станков, а также для комплексной обработки деталей, отличающихся размерами, числом и расположением обрабатываемых поверхностей. При этом могут быть созданы любые модификации: с тремя, четырьмя, пятью управляемыми координатами, поперечно-подвижными или крестовыми столами, вертикальной, горизонтальной и двухшпиндельной головкой, различными типами столов и емкостями инструментальных магазинов. Одним из элементов, используемых в обрабатывающих центрах для серийного и крупносерийного производства, являются многошпиндельные головки. В этом случае обрабатывающий центр сочетает в себе гибкость многооперационного станка и высокую производительность агрегатного. Одновременная работа нескольких инструментов сокращает время обработки, однако требует точной настройки инструментов, так как для всех инструментов используется один корректор. Для использования фрезерного центра в серийном производстве применяют двух- или четырехшпиндельные головки. При этом инструменты обрабатывают не группу отверстий в одной детали, а две или четыре детали, каждую своим шпинделем.
Следующим направлением в повышении производительности современных обрабатывающих центров с ЧПУ является возможность повышения режимов резания. Эта тенденция развивается за счет изменений в конструкции станка и применения более совершенного инструмента. Увеличивается диапазон частоты вращения шпинделя. При этом в зоне обработки требуется обильное охлаждение и гарантированный отвод стружки. Поэтому конструкции обрабатывающих центров включают ограждение не только рабочей зоны, но всех механизмов и узлов станка. Механизмы смены деталей выведены из зоны защиты, чтобы можно было производить смену заготовки во время работы станка.
Важным современным направлением в развитии обрабатывающих центров с ЧПУ является повышение их точности. Все больше применяют «термосимметричные» конструкции шпиндельных и других узлов, подверженных нагреву. С целью ограничения влияния тепловых деформаций корректируется положение рабочих органов в зависимости от показаний датчиков, регистрирующих температуру этих узлов, вводится система стабилизации температуры шпинделя, а также терморегулирующая система циркуляционного смазывания коробки привода. Точность установки стола-спутника проверяется датчиком, устанавливаемым в шпиндель. Обнаруженные отклонения корректируются ЧПУ.
Продолжают совершенствоваться и системы ЧПУ, развивается система прямого программирования с помощью постпроцессора. Системы имеют диагностику неисправностей и индикацию отказов, вводится диагностика состояния режущего инструмента. Одно из направлений создания «безлюдной технологии» - станочный модуль с накопителем деталей и их автоматической сменой. Объем накопителя деталей и магазина инструментов, а также возможности системы ЧПУ обеспечивают автономную работу модуля в течение смены.
Опыт использования современных обрабатывающих центров
Опыт практического применения современных обрабатывающих центров в различных странах показывает их высокую эффективность. Одним из основных условий эффективного использования подобных станков является их полная загрузка в течение двухсменной или даже трехсменной работы. Свыше 50 % заводов, имеющих эти станки, используют их в течение двух смен, а 30 % предприятий - круглосуточно. Простаивание их может принести убытки, невосполнимые повышением производительности станков.
Поэтому, когда вводится в производство обрабатывающий центр с ЧПУ должна быть проведена подготовительная работа по организации полного использования этих станков и предотвращения их простоев.
На крупных предприятиях эти станки устанавливают группами по 3-4 станка, что облегчает их техническое обслуживание. При этом при обработке деталей средних размеров для лучшего использования станков на столах устанавливается по нескольку обрабатываемых деталей (насколько позволяют размеры). В этом случае установка и снятие деталей может производиться во время обработки других деталей, установленных на других участках стола.
Подготовка инструментов для всех станков данной группы обычно поручается одному работнику и осуществляется в специальном помещении, возле участка станков.
В некоторых случаях рабочий, обслуживающий современный обрабатывающий центр, одновременно работает на обычном станке с ЧПУ, устанавливаемом поблизости.
При правильной организации использования обрабатывающих центров их применение оказывается чрезвычайно эффективным. Как показывают данные таблицы на рис. 1, при использовании пятикоординатного обрабатывающего центра Omnimil OM-3 фирмы Sundstrand (США) при обработке корпусных деталей станков один станок может заменить восемь обычных станков при уменьшении трудоемкости в 2,5-3,5 раза.
Рис. 1. Сравнение трудоемкости обработки корпусных деталей на обрабатывающих центрах и обычных станках
На рис. 2, а показано изменение себестоимости (С) обработки корпусной детали на обычных станках (1) и на обрабатывающих центрах (2) типа Milwaukee - Matic фирмы Kearney Trecker (США) в зависимости от размеров партии (N) обрабатываемой детали. Особенно велика эффективность применения станка данного типа при единичном изготовлении сложной корпусной детали (рис. 2, б).
Эффективность применения современных обрабатывающих центров зависит не только от размеров партии обрабатываемых деталей, но и от степени их сложности. Чем сложнее конструкция детали и больше число обрабатываемых на ней поверхностей, чем больше число потребных для ее обработки инструментов и его позиционирований, тем больше эффективность замены обычных станков обрабатывающими центрами.
Рис 2. Изменение себестоимости с обработки корпусной детали от величины партии
Значительное повышение производительности обработки деталей на обрабатывающих центрах в большей мере определяется устранением потерь времени по вине обслуживающего персонала и сокращением затрат вспомогательного времени вследствие широкой автоматизации обработки. Как показано на рис. 3, полезное время работы при использовании обычных станков с 40-48 % повышается до 80 % при использовании обрабатывающих центров. При этом полностью устраняются простои станка, связанные с плохим его обслуживанием, достигающие обычно 12-15% и частично или полностью (при использовании обрабатывающих центров с несколькими столами, на которых установка заготовки и снятие обработанных деталей производятся во время обработки других деталей) ликвидируются простой станка, связанные с установкой и закреплением заготовок, а также с контрольными измерениями обрабатываемых деталей. При обработке на обычных станках эти простой достигают 20% рабочего времени станка.
Рис. 3. Диаграмма использования времени работы обычных станков и обрабатывающих центров
Эффективность применения обрабатывающих центров с ЧПУ в большей мере зависит от правильности выбора их модели применительно к технологическим требованиям деталей, предлагаемых для обработки.
При обработке детали на обрабатывающем центре с позиционном управлением ее технологическая себестоимость оказывается почти в 2 раза меньше, чем на станке имеющем возможность не только позиционной, но и контурной обработки. Аналогично этому при обработке детали, требующей по своей конструкции 15 инструментов и максимальных перемещений 400x400x800 мм на большой модели обрабатывающего центра с магазином на 120 инструментов и перемещениями 800x800x1200 мм, себестоимость детали оказывается на 30 % выше, чем при ее изготовлении на станке имеющем магазин на 20 инструментов. Поэтому для достижения наибольшей экономичности обработки необходимо по возможности использовать простейшие и наиболее дешевые модели обрабатывающих центров, технологические возможности которых ограничиваются реальными требованиями обработки конкретных деталей.
Опыт применения современных обрабатывающих центров показывает, что прямая экономия затрат, связанная со значительным повышением производительности и резким снижением расходов на технологическую оснастку, представляет собой лишь малую долю реальной эффективности применения этих станков. Не менее 70% общей эффективности применения станков складывается из отдельных элементов косвенной экономии, в некоторых случаях выступающих в неявном виде и не всегда поэтому учитываемых. Например, некоторые предприятия, установившие обрабатывающие центры в целях получения прямой экономии затрат, через несколько месяцев их эксплуатации убеждались в том, что пяти-, десятикратное сокращение сроков подготовки производства новых изделий, связанное с применением этих станков, имеет выгоду, далеко превосходящую прямую экономию затрат.
Во многих случаях оказалось очень важным сокращение объема транспортных операций (особенно при обработке крупных деталей), связанное с общим сокращением числа установов обрабатываемой детали. В некоторых случаях расходы на межоперационный транспорт достигают 10-15% производственных затрат. Например, при внедрении в производство фирмой Боинг, обрабатывающих центров общий объем внутрицехового транспортирования сократился на 80 %.
Сокращение числа установов и общее уменьшение производственного цикла позволяют значительно сократить заделы и расходы по хранению деталей. Эти расходы на отдельных предприятиях достигают 2 % производственных расходов.
Ускорение оборачиваемости оборотных средств и повышение общей мобильности производства являются важнейшими элементами эффективности применения современных обрабатывающих центров. Опыт зарубежных компаний и проведенные многочисленные расчеты показывают, что применение этих станков различной степени сложности оказывается экономически целесообразным при обработке деталей в количестве от нескольких штук до нескольких тысяч штук. Наибольший экономический эффект приносят обрабатывающие центры при размерах партий деталей от 2 до 100 шт.
Таким образом, современные обрабатывающие центры являются высокопроизводительным автоматизированным оборудованием, наиболее подходящим для условий мелкосерийного и серийного производства.
Для использования широких технологических возможностей станков, их высокой точности и мобильности создаются специализированные предприятия по изготовлению корпусных и других сложных деталей. Эти небольшие по размерам предприятия укомплектованы группами обрабатывающих центров различной сложности. Работа на них ведется в три смены. Предприятия принимают заказы на изготовление сложных деталей любых изделий и выполняют их в кратчайшие сроки. Полная загрузка обрабатывающих центров, правильное использование их технологических возможностей в соответствии с реальными требованиями конструкции деталей, четко организованное квалифицированное техническое обслуживание, профилактический ремонт и регулирование станков, экономически оправданные при наличии группы станков, дают возможность наиболее полно использовать преимущества этого высокопроизводительного оборудования.
