Станки Типа Обрабатывающий Центр с ЧПУ

Наиболее примечательным явлением в станкостроении, следующим за появлением станков с числовым программным управлением (ЧПУ), было развитие изготовления станков с автоматической сменой инструментов (АСИ), получивших название обрабатывающие центры (многооперационные станки). Название многооперационные станки отражает технологическую универсальность, возможность обработки деталей инструментами разных видов в отличие от обычных операционных станков с ЧП работающих инструментами одного вида. Термин обрабатывающие центры с ЧПУ в обычном представлении соответствует скорее понятию комплекса оборудования (подобно понятию «вычислительный центр»), чем одному станку, однако этот термин отражает тенденцию централизации обработки на одном станке, о чем сказано ниже. Различные названия свидетельствуют о наличии разных взглядов на многооперационные станки. В этих взглядах имеются два противоположных мнения:

• обрабатывающие центры - очередное усовершенствование станков с ЧПУ, заключающееся в оснащении их магазином инструментов, чем достигается одна из модификаций фрезерных, расточных и сверлильных станков;
• обрабатывающие центры - качественно новое явление в металлорежущих станках, отражающее современные тенденции развития станкостроения.

Первое мнение подчеркивает производственную сторону вопроса - возможность изготовления обрабатывающих центров на базе серийных фрезерных, расчетных и других станков. Несомненно, что на первом этапе развития обрабатывающих центров унификация их с серийными станками имеет большое производственное значение. Однако, с другой стороны, взгляд на обрабатывающие центры, как не текущее совершенствование станков с ЧПУ, умаляет их значение и в этом смысле не способствует их развитию.

Второе мнение требует более подробного анализа того нового, что несут с собой обрабатывающие центры. Для этого необходимо рассмотреть некоторые общие тенденции развития современного станкостроения и определить роль обрабатывающих центров в их осуществлении. Анализ производят прежде всего с точки зрения компоновок станков, не преследуя более широких целей, и затрагивает вопросы влияния на компоновки таких тенденций, как специализация и повышение универсальности станков, централизация обработки и автоматизация.

Специализация - характерная тенденция конструирования современных машин. Специализируют автомобили, самолеты, станки и т. д. Целью специализации является достижение высоких технико-экономических показателей путем приспособления конструкции машины к конкретным условиям ее работы. Выпуск специальных станков отражает эту тенденцию в наиболее прямом, узком смысле этого слова. Для компоновок специальных станков характерно, с одной стороны, сокращение числа координатных движений, с другой - увеличение числа силовых агрегатов, связанное с одновременным применением нескольких режущих инструментов.

В отличие от других машин применительно к металлорежущим станкам существует особая разновидность специализации, понимаемой в более широком смысле, - приспособление компоновок станков к условиям производств с различной серийностью изготовления деталей. Сугубо специальные компоновки станков используют только в массовом производстве, наиболее универсальные станки - только в мелкосерийном и единичном производстве. В этом смысле универсальные станки - это станки, специализированные для выпуска деталей малыми сериями и единичного выпуска.

Повышение универсальности компоновок станков, в том числе некоторых категорий специальных станков, отвечает требованию увеличения технологической мобильности машиностроительного производства, обусловленному нарастающим ускорением развития конструкций и непрерывным обновлением типажа машин.

В наибольшей степени этому требованию отвечают компоновки обрабатывающих центров, которые и применяют в мелкосерийном производстве. В отличие от операционных станков с ЧПУ в обрабатывающих центрах исключена специализация по виду режущего инструмента, в полной мере используются резцы и фрезы различных типов, сверла, зенкеры, развертки и метчики. Следовательно, универсальность многооперационных станков - это универсальность новой, более высокой категории.

Централизация (сосредоточение) обработки на станках - вторая важная тенденция современного станкостроения, находящая отражение в многооперационных станках. Централизация применительно к специальным станкам проявляется в увеличении числа силовых агрегатов (головок, суппортов), увеличении числа инструментов в каждом силовом агрегате и одновременно обрабатываемых деталей, т. е. в концентрации обработки, благодаря которой достигается резкое сокращение основного и вспомогательного времени операций и многократное повышение производительности.

Общие черты компоновок станков, на которых концентрируется обработка, позволяют эти компоновки отнести к одной категории - категории агрегатных компоновок, где агрегатирование понимают не в смысле типизации и нормализации узлов, а в смысле увеличения числа одновременно работающих силовых агрегатов - характерного признака концентрации обработки на одном станке. Там, где имеют место увеличение числа параллельно работающих силовых агрегатов, развивается и агрегатирование в смысле нормализации узлов, следовательно, между понятиями компоновок агрегатной категории и агрегатированием конструкций имеется прямая связь.

Характерной общей чертой компоновок агрегатной категории всем их разнообразии является дизъюнктивная структура - структура с ветвлением движений.

Следует отметить известное неблагополучие с терминологией, касающейся концентрации обработки на металлорежущих станках. Очень распространены термины с приставкой «много»: многошпиндельные, многопозиционные, многопоточные, многосторонние, многосекционные, многоинструментные, многорезцовые и т. д. Некоторые из них дублируют их, перекрывают друг друга, имеют двоякий смысл. Например, в названии «многошпиндельные компоновки» не ясно, о каких шпинделях идет речь - для деталей или для инструментов. В связи с этим была предложена система кратких обозначений категорий компоновок металлорежущих станков по признакам централизации обработки, исключающая неясности.

Применительно к универсальным станкам централизация обработки проявляется в увеличении числа последовательных операций, выполняемых на станке за одну установку заготовки или с наименьшим числом перестановок. Такого рода централизацию вернее называть не концентрацией, а интеграцией обработки, так как этот термин лучше отражает смысл «накопления» обработки во времени.

Компоновки станков, приспособленных для интеграции обработки, отличаются наличием устройств для кантования (поворотов) заготовки с целью обработки ее с разных сторон увеличением числа осей координат, по которым осуществляются точные управляемые движения, наличием устройств для последовательного ввода различных режущих инструментов (револьверных головок, магазинов инструментов). Такие компоновки удобно кратко называть компоновками интегральной категории. Под это определение попадают и многооперационные станки. Следовательно, обрабатывающие центры - не случайное изобретение, а закономерное явление, связанное с централизацией обработки на универсальных станках.

Интеграция обработки на станках - явление не новое. Последовательная смена инструментов применяется на токарно-револьверных, токарно-карусельных и некоторых других станках. Новое, что внесли в это явление обрабатывающие центры, - возведенное в принцип применение разнородных инструментов.

Связь типов и компоновок станков с используемыми на них инструментами можно проследить во всей истории станкостроения. Деление станков на фрезерные, сверлильные и т. д. имеет исторические корни, обусловленные потребностями производства в различные периоды его развития. Компоновки и конструкции станков длительное время совершенствовали применительно к различным видам инструментов и в соответствии с развитием последних.

В настоящее время специализация станков по видам инструментов во многих случаях не отвечает потребностям технологии машиностроения, в частности из-за необходимости многократного перебазирования деталей. Современному машиностроению нужны станки для типовых сочетаний операций обработки, совмещение типов станков.

Под совмещением типов станков, относящихся к различным группам, следует принимать не изготовление так называемых комбинированных станков, известных давно, а создание станков, органически приспособленных для типовых сочетаний последовательных операций обработки. Комбинированные станки позволяют производить на них раздельно операции точения, сверления, фрезерования и строгания, но являются всего лишь искусственной суммой станков с объединенными станиной и приводом, чем достигается сокращение необходимой для установки площади и массы по сравнению с соответствующим комплектом отдельных станков.

Станки с органическим сочетанием обработки инструментами разных видов распространены среди специальных станков и все чаще появляются среди универсальных станков. Например, станок с программным управлением фирмы Макс Мюллер (ФРГ) имеет компоновку, позволяющую производить токарную обработку инструментами, помещенными в револьверной головке, с последующим шлифованием точных поверхностей с помощью шлифовальной головки.

В наибольшей степени совмещение типов станков проявляется в компоновках обрабатывающих центров.

Интеграцию обработки наряду с концентрацией начинают применять и в специальных станках. Используют агрегатные силовые головки револьверного типа или с магазином инструментов, агрегатные станки с последовательной сменой шпиндельных коробок и т. д. Это объясняется, в частности, требованиями ускорения переналадок станков на другие изделия. Концентрация и интеграция обработки - различные формы общего явления - централизации обложки на станках.

Автоматизация - еще одна важнейшая тенденция развития станков, к которой обрабатывающие центры имеют прямое отношение.

Обрабатывающие центры оснащают системами ЧПУ в их наиболее развитой форме, когда автоматическим управлением охвачены не только перемещения узлов, но и изменения режимов резания, поиск и смена режущих инструментов, повороты обрабатываемой заготовки, загрузка заготовок и некоторые другие функции.

Известно, что повышение производительности станков, оборудованных системами ЧПУ, достигается главным образом за счет сокращения вспомогательного времени обработки, сокращения тем большего, чем сложнее операция обработки. По этой причине станки с программным управлением используют в основном на сложных операциях, а на простых операциях (фрезерований напроход, сверлении небольшого числа отверстий и др.) оказываются нерентабельными, и в производстве их не применяют.

Новое, что вносят обрабатывающие центры в автоматизацию мелкосерийного производства, заключается в том, что на них осуществляется интеграция большого числа простых операций в сложную совокупную операцию обработки, чем достигается полное использование преимуществ программного управления и рентабельность станков.

Таким образом, анализ особенностей обрабатывающих центров в свете важнейших тенденции развития современного станкостроения показывает, что эти станки не только наиболее полно отвечают этим тенденциям, но и вносят в них новые элементы: высокую универсальность с исключением специализации по видам инструментов, интеграцию обработки с совмещением разнородных инструментов для выполнения типовых сочетаний операций за одну установку, высокую степень автоматизации мелкосерийного производства с рентабельным использованием числового программного управления как на сложных, так и на объединенных простых операциях обработки.

Все эти обстоятельства позволяют рассматривать обрабатывающие центры не как текущее совершенствование металлорежущих станков и систем управления, а как перспективное в станкостроении. Проведенный анализ позволяет перечислить общие принципы построения обрабатывающих центров:

• обработка деталей мелкосерийного производства широкой номенклатуры (в пределах определенного диапазона размера и форм);
• выполнение характерных (типовых) сочетаний операций обработки, обеспечивающих по возможности наиболее полную обработку детали за одну установку;
• эффективная (высокопроизводительная) работа режущими инструментами различных видов (в пределах обусловленного круга технологических задач);
• максимальная автоматизация путем применения программного управления, включая автоматизацию смены инструментов и заготовок;
• высокие качественные и эксплуатационные характеристики, необходимые для длительной безостановочной работы с сохранением необходимой точности.

Компоновки и конструкции обрабатывающих центров отвечают перечисленным принципам их построения. Из компоновок других станков в наибольшей мере этим принципам отвечают компоновки горизонтально-расточных станков. Выполнение этих станков без задней стойки, применение прецизионных поворотных столов, ужесточение шпинделей и общее повышение износоустойчивости и надежности, оснащение станков системой ЧПУ и автоматической сменой инструментов способствуют их превращению в обрабатывающие центры.

Возможная область применения станков типа обрабатывающий центр обширна. Однако четкой методики определения границ эффективного использования автоматизированного оборудования в настоящее время нет. Поэтому рассмотрим общий подход к решению этой задачи на основе опыта и анализа производства. На рис. 1 показана связь между серийностью производства и характеристиками станков, применяемых как традиционно (штриховые линии), так и в перспективе (сплошные линии). Границы между областями применения станков усреднены и могут смещаться под влиянием факторов, здесь не учитываемых (сложность деталей, их размеры и т.п.). Такой подход отвечает на поставленный вопрос о месте обрабатывающих центров с ЧПУ в современном производстве.

В традиционном производстве с использованием универсального оборудования вопрос об автоматизации процесса обработки может успешно решаться при повышении серийности производства до уровня крупносерийного и массового. В диапазоне от единичного до крупносерийного производства технолог располагает универсальным оборудованием с ручным управлением (РУ). В производстве будущего автоматизация охватит весь диапазон серийности за счет применения станков с ЧПУ.

Возможности современных станков типа обрабатывающий центр превышают возможности традиционных универсальных станков. Однако это преимущество достигается при значительном повышении стоимости самого станка.

Рис. 1. Специализация станков для обработки корпусных деталей: ПУ - программное управление; РУ - ручное управление

В единичном и мелкосерийном производствах продолжают эксплуатировать довольно простые по конструкции универсальные станки с ручным управлением. Повышение производительности на этих станках достигается путем оснащения станков специальными приспособлениями и инструментом, частичной автоматизацией некоторых переходов, оснащением станков системой цифровой индикации. При обслуживании станка оператор является активным звеном в технологической цепочке. Он определяет последовательность ходов, осуществляет выбор и переключение частот вращения шпинделя и в определенной степени является разработчиком процесса.

В условиях единичного и мелкосерийного производства имеется большое число деталей простой конфигурации, состоящих из сочетания ограниченного числа элементарных поверхностей. ЭНИМС исследовал около 80 машиностроительных предприятий для установления характера часто встречающихся операций. Было установлено, что из 3000 деталей типа тел вращения 80 % составляют детали ступенчатой формы с рядом дополнительных геометрических элементов, расположенных по контуру. Большое число корпусных деталей также состоит из простых поверхностей, для которых основными видами обработки являются фрезерование и сверление. Установлено, что для этих условий производства целесообразно применять простые и дешевые станки, оснащенные оперативными системами программного управления (ОСУ).

Оперативная система управления имеет широкие возможности по созданию и коррекции программы станка в режиме диалога оператора с устройством ЧПУ. После получения чертежа детали и необходимых указаний по технологии ее обработки оператор с клавиатуры пульта управления вводит параметры детали в программу обработки. При обработке сложных заготовок исходные данные оформляются технологом-программистом в виде таблиц, которые передаются оператору вместе с обрабатываемой заготовкой. Оперативная система управления позволяет после обработки первой заготовки при необходимости исправить программу и ввести ее в память для долговременного хранения. Преимущество универсальных станков с оперативными системами управления заключается также в том, что они позволяют на рабочем месте связать процесс освоения нового изделия с процессом оптимальной обработки заготовки. Число управляемых координат ограничено до двух-трех.

Оснащение универсальных станков оперативными системами управления обеспечивает их автоматизацию, повышая производительность станков. Так, по данным западногерманской фирмы "Махо", использование оперативных систем управления на универсальных станках по сравнению с аналогичным станком, оснащенным цифровой индикацией, увеличивает производительность обработки в 2,5 раза при изготовлении одной детали и в 3 раза при серийном изготовлении деталей.

Постоянное увеличение ассортимента деталей и уменьшение серийности при высоком годовом количественном выпуске продукции меняют характер условий производства. Как следствие этого постоянно сокращается время запуска изделия в производство. К особенностям производства необходимо отнести также частые изменения размеров партии. Большое разнообразие изделий, часто меняющиеся требования к обработке и небольшие серии приводят к возрастанию подготовительно-заключительного и вспомогательного времени и тем самым к недостаточной загрузке оборудования. Решение этой проблемы возможно путем создания ГПС, отвечающих двум основным требованиям: высокой гибкости и экономичности. Основу таких систем составляют станки типа обрабатывающий центр.

Развитие отечественного и мирового станкостроения за последнее время происходило в направлении механизации и автоматизации, во-первых, единичного и мелкосерийного производства и, во-вторых, крупносерийного и массового производства. Первое решалось за счет внедрения станков с ЧПУ, в том числе и обрабатывающих центров, второе - за счет совершенствования структуры управления автоматических линий, улучшения технических станков, составляющих основу линий, внедрения мероприятий, направленных на обеспечение заданной заказчиком программы выпуска изделия.

Решение проблемы автоматизации среднесерийного производства имеющимися средствами не дало положительных результатов, поскольку применение в этих условиях обрабатывающих центров с ЧПУ связано с большими капитальными затратами, а агрегатные станки и автоматические линии нерентабельны из-за низкого коэффициента их использования. Это привело к созданию переналаживаемого технологического оборудования. В массовом производстве применяют агрегатные специальные станки (или автоматические линии из агрегатных станков), которые предназначены в основном для изготовления одной заранее заданной детали с программой выпуска, обеспечивающей полную загрузку оборудования в течение года.

Среди различных методов определения характеристик силовой части станка обрабатывающий центр с ЧПУ одним из наиболее распространенных является метод, основанный на анализе паспортных данных существующих станков данного типа. Этот метод в практике называют опытно-статистическим. Основной недостаток такого метода заключается в необходимости накопления достаточно большого объема информации по однородным видам оборудования с ориентацией на станки последних лет выпуска и по возможности с исключением факторов рекламного или конъюнктурного характера.

Выявление такой однородной случайной информации является трудной и необоснованно растянутой задачей во времени. Поэтому опытно-статистический метод определения характеристик не является единственным и может в основном служить для формирования справочного материала.

Выбор оптимальных значений основных характеристик обрабатывающего центра является сложной технической задачей, поскольку положительный результат возможен только при оценке технологической проблемы конкретного заказчика. Однако модульный принцип построения обрабатывающих центров позволяет предусмотреть исполнения тех или других вариантов основных модулей, характеристики которых могут быть получены на основе анализа условий резания по ведущей операции. Эти технические характеристики лучше представить как предельные.

На станке типа обрабатывающий центр с ЧПУ наиболее часто выполняют следующие виды работ: сверлильные (центровка, сверление, зенкование, зенкерование, развертывание, нарезание резьбы), фрезерные и расточные. Для выполнения этих операций расчет характеристик обрабатывающего центра производят на основе наиболее часто встречающихся режимов резания (табл. на рис. 2), которые не являются предельными.

Рис. 2. Рекомендуемые режимы резания на обрабатывающем центре с ЧПУ

Операции при обработке различных материалов по-разному оказывают влияние на формирование характеристик станков. Так, наибольшая мощность привода требуется при обработке стали торцовыми твердосплавными фрезами, в то время как силы резания и крутящий момент на шпинделе имеют большие значения при обработке чугуна. Это видно из таблицы на рис. 3, где при заданных одинаковых глубинах резания и диаметрах фрез большая мощность привода требуется при обработке стали вследствие больших скоростей резания, даже при меньших подачах на зуб.

Рис. 3. Режимы резания станка обрабатывающий центр при обработке стали и чугуна

Максимальная сила резания из-за увеличенной суммарной длины режущих кромок, участвующих в работе (вследствие увеличенного числа зубьев фрезы), характерна при обработке деталей из чугуна. Наибольшая частота вращения шпинделя определяется чистовыми расточными операциями при обработке чугуна композитом (эльбором) со скоростями резания 400-500 м/мин, а также при обработке цветных сплавов карбонадо (синтетическим алмазом) со скоростями резания 300-1000 м/мин. Максимальные частоты вращения шпинделя при сверлении спиральными сверлами или фрезерования концевыми фрезами находятся в пределах частот вращения шпинделя при расточных операциях, а минимальные определяются операциями развертывания.

Расчет основных характеристик силовой части станка обрабатывающий центр с ЧПУ производится из условий обработки корпусных деталей торцовыми твердосплавными фрезами на основе принятых максимальных диаметров фрез и числа их зубьев для обрабатывающих центров с различными размерами ширины рабочей поверхности стола (таблица на рис. 4). Наибольшие диаметры фрез у обрабатывающих центров с B = 1250-2500 мм определены из возможности производить их автоматическую смену с помощью механизмов автоматической смены инструмента.

Рис. 4. Характеристики фрез в зависимости от основного параметра станка обрабатывающий центр с ЧПУ

Ведутся поиски повышения производительности процесса резания и совершенствования инструментальных материалов. Эти поиски, естественно, предъявляют ряд требований к техническим характеристикам обрабатывающих центров с ЧПУ. Так, фирма «Сандвиг» (Швеция) выпускает торцовые фрезы с увеличенным числом зубьев, позволяющим работать с большими минутными подачами. Конструкции фрез позволяют достигать высокую точность положения твердосплавных пластин в корпусе фрезы, что обеспечивает хорошее качество обрабатываемой поверхности. Снятие больших припусков за счет увеличенного числа зубьев фрезы увеличивает объем снимаемого металла в единицу времени, а это вызывает необходимость иметь более мощные приводы главного движения. В таблице на рис. 5 приведены данные, показывающие взаимосвязь мощности главного привода от объема металла, снимаемого в процессе резания.

Рис. 5. Взаимосвязь мощности главного привода станка и объема снимаемого при резании металла

Происходит дальнейшее совершенствование инструментальных материалов в направлении повышения их твердости и теплостойкости, что обеспечивает стойкость инструмента при более высоких скоростях резания. Этим требованиям удовлетворяют поликристаллические сверхтвердые материалы. По твердости поликристаллы на основе алмаза и нитрида бора значительно превосходят известные инструментальные материалы (таблица на рис. 6), причем если при переходе от быстрорежущих сталей к твердым сплавам и керамике микротвердость инструментального материала возросла на 600-10000 МПа, то поликристаллы по микротвердости превосходят керамику на 50000 МПа. Такое увеличение микротвердости наряду с увеличением теплостойкости не только обеспечивает дальнейший рост скоростей резания, но создает возможность окончательной обработки лезвийным инструментом материалов высокой твердости, таких как закаленные стали и твердые сплавы.

Рис. 6. Характеристики инструментальных материалов

В нашей стране выпускают две группы сверхтвердых поликристаллических материалов: на основе модификаций нитрида бора (композит 01, 05, 10 и др.), синтетические поликристаллические алмазы (карбонадо). Каждый из этих инструментальных материалов имеет область применения, определяемую их физико-механическими свойствами и химическим составом. По твердости карбонадо несколько превосходит композит, но значительно уступает ему по теплостойкости. Композиты химически инертны к черным металлам, а карбонадо к ним химически активны. Поэтому композит применяется в основном для обработки черных металлов, а карбонадо для обработки цветных сплавов, стеклопластиков, твердых сплавов, алюминиевых, титановых сплавов и др.

Применение композита при обработке стали по сравнению с обработкой твердым сплавом тем эффективнее, чем выше твердость обрабатываемого материала. При невысокой твердости стальных заготовок применение композита нецелесообразно. Например, с увеличением твердости заготовок из стали с твердостью более HRCэ 40 обработка композитом (таблица на рис. 7) целесообразна, и тем более, чем тверже обрабатываемый материал. Все большее внимание уделяется работам по исследованию скоростной обработки металлов резанием с целью использования ее в производственных условиях. Применение высоких скоростей резания ограничивается стойкостью режущего инструмента, поэтому вопрос об увеличении скоростей резания обычно решается путем создания новых инструментальных материалов с улучшенными режущими свойствами.

Рис. 7. Области применения композитов

С повышением скорости резания в результате выделяющейся в зоне резания теплоты температура на вершине резца растет и достигает максимума при некоторой скорости. При дальнейшем увеличении скорости резания, в результате изменения процесса резания, температура на вершине резца снижается, а стойкость его при этом увеличивается. Иногда такое изменение параметров резания связано с изменением механизма стружкообразования, т.е. с переходом от пластической деформации снимаемого слоя металла при обычных скоростях резания к хрупкому излому стружки при скоростном резании. Граничное значение скорости резания, при которой происходит указанное изменение условий резания, отличается для различных обрабатываемых материалов. При обработке большинства материалов граничные значения скоростей скоростной обработки не удается пока реализовать из-за недостаточной стойкости применяемых инструментальных материалов, которые уже теряют свои режущие свойства при более низких значениях скоростей резания.

Совершенствование конструкции и инструментального материала режущего инструмента может существенно повлиять на изменение характеристик обрабатывающего центра. Если учесть, что подобные совершенствования происходят в сравнительно короткие временные отрезки, то становятся очевидными трудности, связанные с установлением оптимальных значений технических характеристик вновь создаваемых станков типа обрабатывающий центр с ЧПУ. Характеристики фрезерных центров (таблица на рис. 8), полученные расчетом на основе существующего уровня режимов резания, отображают состав модификационных вариантов главного привода и приводов подач, выбор которых может производиться в зависимости от вида операции и применяемого инструмента.

Рис. 8. Значения характеристик обрабатывающих центров с ЧПУ