Данная группа станков обычно имеет вертикальный шпиндель и горизонтальный стол, что обусловливает применение их для обработки деталей, в которых обеспечен подход инструмента к заготовке с одной стороны. К таким деталям следует отнести корпусы типа плит и крышек (рис. 1) с параллельно расположенными отверстиями. На вертикально фрезерном обрабатывающем центре с ЧПУ можно обрабатывать детали с прямоугольными и фасонными отверстиями, пазами и канавками.
На станках этого типа, оснащенных трехкоординатной контурной или универсальной системой ЧПУ, можно обрабатывать криволинейные поверхности выпуклой или вогнутой формы. Если такой станок оснастить поворотным столом типа глобусного стола, применяемого на координатно-расточных станках, на нем можно будет обрабатывать заготовки, к которым необходим подход инструмента со многих сторон. Однако при этом рабочий объем станка сокращается в 3-4 раза, что резко уменьшает габариты обрабатываемых деталей.
Рис. 1. Пример детали, производимой на обрабатывающем центре с вертикальным шпинделем
Наиболее распространены три варианта компоновок вертикально фрезерных обрабатывающих центров по типу:
- вертикального консольно-фрезерного станка;
- бесконсольного вертикально фрезерного станка или одностоечного координатно-расточного станка;
- продольно-фрезерного или двухстоечного координатно-расточного станка.
Основной особенностью первого типа компоновки является наличие консоли, несущей рабочий стол. Наиболее часто встречающаяся конструкция таких станков показана на рис. 2. Вертикальная станина станка установлена на плоском основании. По вертикальным направляющим станины перемещается консоль, несущая стол станка. Стол может перемещаться в горизонтальной плоскости в двух взаимно перпендикулярных направлениях. В поперечном направлении он перемещается вместе с промежуточными салазками по горизонтальным направляющим консоли, а в продольном направлении перемещение стола осуществляется по горизонтальным направляющим салазок.
Рис. 2. Вертикально фрезерный обрабатывающий центр С400/01 NC (комбинат Fritz Heckert)
Станок имеет шесть шпинделей, смонтированных в револьверной головке. В каждом шпинделе установлен инструмент. Процесс резания осуществляется лишь тем шпинделем, который обращен к столу. Для смены инструмента револьверную головку поворачивают в необходимую позицию. Привод шпинделей смонтирован в станине, и приводы подач стола - в консоли.
В верхней части станины, над револьверной головкой смонтирован дисковый инструментальный магазин, несущий 12 инструментов. Он вращается вокруг вертикальной оси. Замена инструмента осуществляется автооператором автоматически в том шпинделе, который находится в верхнем положении револьверной головки. Для удобства работы автооператора и уменьшения числа его движений инструменты в магазине устанавливаются хвостовиком вниз, т. е. в положении их загрузки в шпиндель. Смена инструмента может осуществляться в период работы станка, когда вертикальная подача детали осуществляется перемещением консоли. Сочетание магазина и револьверной головки увеличивает число используемых инструментов. Рабочая поверх. ность стола имеет размеры 400 x 1600 мм, а наибольшее расстояние от поверхности стола до торца шпинделя 560 мм, наибольшие перемещения - продольное 1120, поперечное 355 и вертикальное 400 мм, что допускает обработку корпусных деталей довольно больших размеров. На столе можно установить поворотное устройство с горизонтальной осью вращения. Это увеличивает технологические возможности станка вертикальной компоновки, так как разрешает вести обработку детали с четырех сторон при одном ее креплении.
Размеры детали при ее обработке с этим устройством составляют 315 x 315 x 400 мм. Станок имеет 18 различных чисел оборотов в пределах от 28 до 1400 в минуту и 45 подач от 10 до 1600 мм/мин, вследствие чего можно осуществлять все виды работ, присущих обработке корпусных деталей: сверление, рассверливание, зенкерование, цекование, развертывание, растачивание, нарезание резьбы, фрезерование в двух направлениях по осям X и Y. Регламентируемая точность растачивания по шестому квалитету IT6. Допускаемые отклонения в мкм соответствуют для размеров от 18 до 30 мм при квалитете IT5 - 0+9; IT6 - 0+11; IT7 - 0+21 и для размеров от 30 до 50 мм соответственно 0+11; 0+16 и 0+25. Точности позиционирования, установки координат и межосевых расстояний при растачивании отверстий обеспечиваются станком в пределах 0,01 мм; точность повторного позиционирования - 0,01 мм. Станок обладает ускоренным перемещением стола и салазок со скоростью 3150 мм/мин, а консоли 1000 мм/мин. Время, затрачиваемое на поворот револьверной головки, т. е. на замену инструмента при обработке, составляет 3 с. Станок работает от программоносителя - перфорированной восьмидорожечной ленты в кoдe EIA, Система ЧПУ имеет плавающий нуль, отсчет координат осуществляется по приращениям, т. е. возможно смещение нулевой точки отсчета. Возможна коррекция длины инструментов, не требующая точной настройки их длины перед установкой в магазин.
В отличие от описанной конструкции вертикально фрезерный обрабатывающий центр с ЧПУ, приведенный на рис. 3, имеет сменные шпиндели с постоянно установленными в них инструментами. Шпиндели размещены в магазине, который смонтирован вокруг шпиндельной головки. Шпиндель, несущий необходимый для обработки инструмент, вводится в шпиндельную головку, сцепляется с приводом вращения и осуществляет обработку. Для удобства ввода шпинделей в шпиндельную головку ось вращения магазина выполнена вертикальной, параллельной оси шпинделя станка. Магазин несет 20 шпинделей, что является достаточным при обработке несложных корпусных деталей.
Рабочая поверхность стола и наибольшие величины перемещений в продольном, поперечном и вертикальном направлениях позволяют обрабатывать корпусные детали в рабочем объеме 900 x 500 х 450 мм. На столе установлен поворотный стол с горизонтальной осью вращения, допускающий обработку детали с четырех сторон при одном ее установе (креплении). Станок имеет 18 различных чисел оборотов в пределах от 71 до 5000 в минуту и подачи от 8 до 1500 мм/мин, что обеспечивает выполнение всех видов работ, необходимых при обработке корпусных деталей. Близкое расположение шпинделей в магазине ограничивает наибольший диаметр устанавливаемых в них инструментов в пределах 120 мм. Точность обработки отверстий по шестому квалитету - IT6. Точности установки координат, межосевых расстояний при растачивании отверстий и повторного позиционирования обеспечиваются станком в пределах 0,01 мм. Ускоренное перемещение стола, салазок и консоли осуществляется со скоростью 10 м/мин. Время, затрачиваемое на отжим шпинделя, поворот инструментального магазина и крепление шпинделя, составляет 2,5 с. Станок работает от перфорированной ленты в коде ISO.
Рис. 3. Фрезерный обрабатывающий центр NCMC-20 (фирма Hüller)
Несколько изменена компоновка фрезерного обрабатывающего центра, приведенного на рис. 4. В этом станке стол совершает только продольное перемещение, которое осуществляется по горизонтальным направляющим консоли. Поперечное перемещение производится шпиндельной бабкой по горизонтальным направляющим станины. Консоль перемещается по вертикальным направляющим станины. Станок оснащен одним вертикальным шпинделем. На шпиндельной головке установлен цепной магазин инструментов, который подводит необходимый инструмент в зону шпинделя. Перед обработкой инструмент предварительно зажимается в шпинделе.
Рис. 4. Вертикальный обрабатывающий центр DMCP-105 (фирма Makino)
Емкость цепного магазина - 12 инструментов. Смена очередного инструмента может осуществляться только после окончания работы предыдущего, поэтому время смены инструмента не перекрывается и составляет 7 с. Станок не оснащен поворотным столом, поэтому обработка может осуществляться только в одной плоскости детали при одном ее креплении. Станок может выполнять фрезерование по двум направлениям осей координат X и Ү, сверление, зенкерование, цекование, растачивание, развертывание и нарезание резьбы. Размеры рабочей поверхности стола составляют 1700 X 420 мм, а наибольшие величины перемещений: консоли - 420, стола - 1050 и шпиндельной бабки - 500 мм. На станке можно растачивать отверстия по шестому квалитету - IT6. Точность установки координат 0,01 мм, повторного позиционирования 0,005 мм и межосевых расстояний при растачивании отверстий 0,015 мм. Станок имеет ускоренные перемещения: стола 6 м/мин, консоли и шпиндельной бабки 3 м/мин. Интервал скоростей шпинделя от 40 до 2200 об/мин; интервал подач от 5 до 1200 мм/мин. Информация о программном управлении записывается на магнитной ленте.
Описанная выше компоновка вертикально фрезерного обрабатывающего центра с консолью получила распространение для станков сравнительно малых размеров. Наличие консоли снижает жесткость станка, что влияет как на его производительность, так и на точность обработки.
Более широкое применение для вертикальных обрабатывающих центров малых и средних размеров получила компоновка второго типа - аналогичная бесконсольно-фрезерным вертикальным станкам и одностоечным координатно-расточным станкам. В этих станках стол перемещается в двух взаимно перпендикулярных направлениях в горизонтальной плоскости, а вертикальное перемещение осуществляется шпиндельной головкой. Примером такой компоновки может служить станок мод. 243ВМФ4 Одесского завода прецизионных станков (рис. 5). Основными базовыми деталями этого станка являются жесткая станина с горизонтальными направляющими и установленная на ней колонна, имеющая вертикальные направляющие. По горизонтальным направляющим станины перемещаются салазки, осуществляющие поперечное перемещение стола. Продольное перемещение стола производится по горизонтальным направляющим салазок. По вертикальным направляющим колонны перемещается шпиндельная бабка.
Рис. 5. Вертикально фрезерный центр 243ВМФ4 Одесского завода прецизионных станков
С левой стороны колонны смонтирован инструментальный магазин емкостью в 30 инструментов. Инструментальный магазин - дискового типа с горизонтальной осью вращения. Смена инструмента осуществляется автооператором после завершения обработки предыдущим инструментом, т. е. время смены инструмента не перекрывается машинным временем и составляет 5 с. Рабочая поверхность стола составляет 560 x 320 мм. Наибольшее его перемещение в продольном направлении - 400, а в поперечном - 250 мм; расстояние от торца шпинделя до поверхности стола наибольшее - 500 и наименьшее - 125 мм. Перемещение шпиндельной головки составляет 235 мм. Эти параметры позволяют обрабатывать корпусные детали средних размеров (станков, автомобилей, кранов, детали приборов и т. д.). Наличия 30 инструментов обычно достаточно для полной обработки корпуса. Наибольший диаметр растачиваемого отверстия 160 мм, а максимальный диаметр фрезы 200 мм. Станок имеет 19 чисел оборотов шпинделя в пределах 40-2500 в минуту и 29 рабочих подач от 3,15 до 2500 мм/мин, что разрешает выполнять все виды работ, необходимые при обработке корпусных деталей. Скорость быстрого перемещения 3 м/мин.
Так как станок построен на базе координатно-расточного станка и обладает высокой точностью, то наиболее целесообразно его использовать при получистовом и чистовом фрезеровании плоскостей, сверлении, зенкеровании, растачивании, развертывании, нарезаний резьбы и прочих работах. Станок может быть оснащен поворотным столом с горизонтальной осью поворота, что разрешает обрабатывать детали со всех боковых сторон при одном креплении. Точность установки координат составляет 0,012, а точность расстояний между осями обработанных отверстий 0,016 мм. Точность диаметра отверстия составляет 0,01 мм, некруглость 0,003 мм, нецилиндричность 0,006 мм; неплоскостность обработанной поверхности 0,008, а ее непараллельность основанию 0,008 мм.
Широкие технологические возможности, высокая точность и гибкость управления позволяют использовать станок в индивидуальном и серийном производстве. Управление осуществляется с помощью восьмидорожечной перфоленты в коде ISO. На станке программируются координатные перемещения стола, шпиндельной головки и гильзы, скорости этих перемещений, скорости вращения шпинделя, автоматическая смена инструмента, отжимы и зажимы подвижных органов, коррекция инструмента и циклы обработки. Благодаря электроиндуктивной системе отсчета координат обеспечивается высокая и стабильная точность позиционирования.
К вертикальным фрезерным обрабатывающим центрам, скомпонованным по типу одностоечного координатно-расточного станка, относится станок СМ-213 Минского завода автоматических линий (рис. 6). По горизонтальным направляющим станины в поперечном направлении перемещаются салазки, по направляющим которых в продольном направлении перемещается стол. Эти направляющие образуют крестовый координатный стол. Крестовый стол перемещается от ходовых винтов по гидростатическим направляющим. По вертикальным направляющим колонны перемещается шпиндельная бабка. С правой стороны станка, на поперечной стойке подвешен инструментальный магазин емкостью 30 инструментов. Между станком и магазином смонтирован автооператор, осуществляющий автоматическую смену инструментов.
Станок предназначен для обработки плоских деталей типа плит, планок и панелей. Сверление, зенкерование, растачивание, развертывание и нарезание резьбы осуществляются без применения кондукторов. Наибольшие размеры обрабатываемой на станке детали составляют 1250 x 750 x 320 мм. Наибольший диаметр сверления 50 мм. Шпиндель имеет восемь ступеней чисел оборотов - от 63 до 710 в минуту. Станок оснащен трехкоординатной системой ЧПУ, обеспечивающей дискретность отсчета 0,1 мм, и точность установки подвижных узлов ±0,05 мм. Станок может работать в полуавтоматическом и автоматическом режимах по программе, записанной на стандартной пятидорожечной перфоленте в коде БЦК-5, а также в режиме предварительного набора Координат. В станке имеется устройство, которое обеспечивает автоматическое переключение шпиндельной бабки с ускоренного перемещения на подачу осуществляемое при касании инструментом поверхности обрабатываемой детали. Это исключает необходимость предварительной настройки инструмента и программирования величин ускоренных перемещений. Кодирование инструмента осуществляется с помощью кодовых колец на инструментальных оправках, что разрешает устанавливать их в любом гнезде магазина и в любой последовательности. Заданные для каждого инструмента режимы резания автоматически передаются шпиндельной бабке при прочтении кода инструмента на оправках.
Рис. 6. Фрезерный обрабатывающий центр СМ-213 Минского завода автоматических линий
Такую же компоновку имеет вертикальный бесконсольный станок, приведенный на рис. 7. Станок имеет восьмипозиционную головку с восемью шпинделями. Смена инструмента в шпинделях производится вручную. Приводы перемещения шпиндельной головки и стола - гидравлические. В револьверной головке можно устанавливать фрезы, сверла, зенкеры и различные расточные борштанги. Одна шпиндельная позиция несет плансуппортную головку, расширяющую технологические возможности станка. На столе станка может быть установлен поворотный стол с горизонтальной осью вращения. В этом случае небольшие корпусные детали можно обрабатывать с четырех сторон при одном их креплении. Поворот стола осуществляется системой ЧПУ. в револьверной головке может устанавливаться насадка, несущая фрезу, ось которой горизонтальна или повернута под углом, что допускает фрезерование боковых и наклонных плоскостей. Программа обработки записывается на восьмидорожечной перфоленте в коде ISO.
Рис. 7. Вертикально фрезерный обрабатывающий центр с ЧПУ SBR50W (фирма Heller)
Фрезерный обрабатывающий центр, скомпонованный по типу одностоечного координатно-расточного станка, показан на рис. 8. В отличие от предыдущего, этот станок оснащен одним шпинделем, который смонтирован в пиноли, перемещающейся в вертикальном направлении в отверстии шпиндельной головки. Шпиндельная головка, как и в предыдущем случае, перемещается по вертикальным направляющим колонны. Однако перемещение головки используется как вспомогательное установочное, предназначенное для подвода и отвода инструмента. Рабочее перемещение инструмента производится пинолью, что значительно повышает точность обработки отверстий по их размеру и геометрии. Необходимые для обработки инструменты размещаются в магазине, установленном на колонне станка. Перегрузка инструмента из магазина в шпиндель и обратно производится манипулятором и двухпозиционным перегружателем. Последний изменяет положение оси инструмента и подводит его к шпинделю или отводит от него во время обработки другим инструментом. Емкость инструментального магазина - 12 инструментов.
На станке можно производить различные работы, выполняемые на координатно-расточном станке. Наибольшие диаметры: при сверлении отверстий в стальных деталях - 50 мм, а в чугунных 65 мм, фрезы 120 мм; при нарезании резьбы М56; при растачивании отверстий в стальных деталях 120 мм, а в чугунных 150 мм. Рабочие размеры стола 900 x 600 мм; его перемещение по осям координат X и Y составляет 800 и 600 мм, перемещение пиноли по оси Z 300 мм. На этом станке можно обрабатывать корпусные детали средних габаритных размеров. Шпиндель станка имеет 16 ступеней чисел оборотов от 45 до 1400 в минуту и 16 ступеней подач от 0,08 до 2,5 мм/об. Скорость ускоренного тіеремещения стола 6 м/мин. Точность растачиваемых на станке отверстий соответствует IT7; точность измерительной системы станка 0,01 мм, точность позиционирования ±0,02 мм и для повторного позиционирования ±0,01 мм. Станок работает от восьмидорожечной перфоленты в коде ЕIА. ЧПУ управляет перемещениями по осям X, Y, Z и ускоренными перемещениями, сменой инструмента, коррекцией длины и диаметрального положения инструмента, изменением режимов резания и т. д.
Рис. 8. Вертикальный обрабатывающий центр KBNE50RM (фирма Kolb)
Для обработки крупногабаритных деталей применяются вертикально фрезерные обрабатывающие центры, имеющие третий тип компоновки. В этих станках стол перемещается лишь в одном направлении (продольном) в горизонтальной плоскости. На станине устанавливаются две стойки, соединенные с поперечиной в портал. Обе стойки имеют вертикальные направляющие, по которым в вертикальном направлении перемещается траверса. Вдоль траверсы в поперечном направлении двигаются салазки.
На рис. 9 изображен вертикально обрабатывающий центр, салазки которого имеют вертикальные направляющие. По этим направляющим перемещается шпиндельная револьверная головка с шестью шпинделями. Вертикальное перемещение, осуществляеМое траверсой, используется как установочное для вспомогательных подводов шпиндельной головки к заготовке. Основное рабочее вертикальное перемещение инструмента осуществляется шпиндельной головкой по вертикальным направляющим салазок. Шпиндели револьверной головки несут постоянно закрепленный в них инструмент. Компоновка стола в виде портала обеспечивает повышенную жесткость станка и, следовательно, повышенную точность обработки. На станке могут обрабатываться детали типа плит, рам, суппортов; обрабатываемые поверхности у которых расположены в одной плоскости. С револьверной головки может выполняться сверление, зенкерование, растачивание, фрезерование и нарезание резьбы. Поверхность стола имеет размеры 1500 x 910 мм; расстояние между стойками 1750 мм. Наибольший продольный ход стола 1500 мм; поперечный ход головки 1500 мм; вертикальный ход траверсы 910 мм; длина хода шпинделя 250 мм. Пределы чисел оборотов шпинделя - от 50 до 1500 в минуту; скорость подач 25-1000 мм/мин; скорость ускоренных перемещений стола и траверсы 4570 мм/мин. Точность растачиваемых отверстий - в пределах второго класса; точность позиционирования стола и головки 10 траверсе ±0,025 мм.
Рис. 9. Фрезерный обрабатывающий центр ТCD/1500/M (фирма Wadkin)
Несколько измененную компоновку шпиндельной группы имеет вертикальный обрабатывающий центр с ЧПУ, показанный на рис. 10. По направляющим траверсы перемещается шпиндельная головка, в которой смонтирована пиноль с вертикальным шпинделем. Пиноль перемещается в вертикальном направлении, осуществляя рабочую подачу инструмента. Необходимые при обработке инструменты устанавливаются в дисковом магазине, который закреплен на задней стороне шпиндельной головки. Перегрузка инструмента из магазина в шпиндель производится манипулятором и двухпозиционным перегружателем, конструкция которых аналогична механизмам, установленным на одностоечном станке, показанном на рис. 8. Емкость инструментального магазина - 30 инструментов; время смены инструментов - 5 c.
Этот станок имеет более широкие технологические возможности, так как он оснащен большим количеством инструментов. Наибольшие размеры инструментов при обработке на этом станке - при сверлении 80 мм, растачивании 200 мм, нарезании резьбы 68 мм, диаметр фрезы 160 мм. Шпиндель имеет 16 ступеней чисел оборотов от 45 до 1400 в минуту и 16 ступеней подач пиноли от 0,08 до 2,5 мм/об. Скорость ускоренных перемещений стола 6 м/мин. Размеры рабочей поверхности стола 1500 х 2000 мм. Разрешающая способность измерительной системы станка 0,01 мм. Точность позиционирования ±0,02 мм; точность повторного позиционирования ±0,01 мм. Станок оснащен системой ЧПУ, информация для которой поступает от восьмидорожечной перфоленты, кодируемой в системе ЕIА. Программируются все четыре перемещения, смена инструмента, изменение режимов резания и др. Система имеет коррекцию положения инструментов по длине.
Рис. 10. Вертикально фрезерный обрабатывающий центр с ЧПУ KBNP80 (фирма Kolb)
Для станков особо высокой точности иногда выносят магазин инструментов и манипулятор в отдельный агрегат. Это позволяет разгрузить подвижные органы и повысить точность их работы. Кроме того, вынесение магазина за пределы станка дает возможность сократить затраты на изготовление станка, так как в этом случае используется обычный станок с ЧПУ. На рис. 11 представлен высокоточный обрабатывающий центр, скомпонованный по типу двухстоечных координатно-расточных станков.
Рис. 11. Обрабатывающий центр C-BKOZ-900 (комбинат Fritz Heckert)
С левой стороны станка, в независимом приставном агрегате, установлен инструментальный магазин дискового типа с горизонтальной осью поворота. В торцовой поверхности магазина имеется 66 гнезд для хранения инструмента. Смена инструмента осуществляется автоматически автооператором или вручную; время автоматической смены инструмента - 6 с. На станке выполняются все операции, которые могут быть осуществлены на высокоточном координатно-расточном станке: сверление, рассверливание, зенкерование, растачивание, развертывание, подрезание торцов, фрезерование и нарезание резьбы. Точность растачивания отверстий - по IT6. Станок должен работать при постоянной температуре окружающей среды 20±0,5° С.
Габаритные размеры рабочей поверхности стола 1400 x 900 мм; проход между поперечными стойками 1090 мм и расстояние между столом и шпиндельной бабкой от 0 до 900 мм позволяют обрабатывать на станке крупные корпусные детали. Шпиндель станка имеет 18 ступеней чисел оборотов от 28 до 1400 в минуту. Стол и шпиндельная бабка имеют 10 ступеней подач от 22,4 до 500 мм/мин. Ускоренное перемещение стола и шпиндельной бабки по осям X и Y соответствует 4000 мм/мин, а по оси Z 220 мм/мин. Наибольший диаметр инструмента, заменяемого автооператором, равен 180 мм, а наибӧльший применяемый диаметр фрезы 160 мм. Разрешающая способность оптической системы измерения по координатным осям Х и Y равна 0,001 мм, а точность позиционирования по этим осям равна 0,004 мм. ТочНость позиционирования по осям Z и W - 0,1 мм. Программоноситель - восьмидорожечная перфолента в коде EIA или ISO. Система отсчета координат имеет плавающий нуль и может отсчитывать абсолютные размеры по всей длине рабочего хода или работать по приращениям координат. Система имеет коррекцию размера инструмента по длине и по диаметру.
Другой высокоточный станок несколько больших размеров представлен на рис. 12. Его инструментальный магазин содержит 138 инструментов. Механизм их смены тот же, что и в станке C-BKOZ-900. Рабочая поверхность стола 1250 x 2000 мм. Разрешающая способность системы измерения этого станка по координатным осям X и Y равна 0,001 мм, а по оси Z и W 0,01 мм. Точность позиционирования 0,008 мм по осям X и Y и 0,03 мм по оси Z и W.
Описанная выше двухстоечная компоновка фрезерного обрабатывающего центра обладает наибольшей жесткостью, что обуславливает получение на таких станках максимальной производительности по машинному времени и наиболее высокой точности обработки детали как на сверлильных, так и на фрезерных операциях.
Рис. 12. Вертикально фрезерный обрабатывающий центр C-BKOZ-1250 (комбинат Fritz Heckert)
