Как высоко автоматизированная система обрабатывающий центр имеет широкие технологические возможности, которые позволяют концентрировать на одном рабочем месте функции различных станков, что дает возможность повышать производительность и точность обработки.
Обрабатывающие центры заменяют сверлильные и расточные станки, т. к. на них могут быть выполнены сверление, центрование, зенкерование, зенкование, развертывание, растачивание, подрезание торцов, обработка внутренних канавок, нарезание резьбы. Технологические возможности выполнять растачивание отверстий резко расширяются за счет применения так называемых плансуппортных головок, радиальное перемещение резца которой управляется автоматически по заданному циклу. При этом возможно получать не только ступенчатые отверстия, подрезать торцы, растачивать канавки, подрезать противоположные стенки, но и растачивать конические отверстия и получать сложные фасонные поверхности.
При обработке всевозможных крепежных отверстий по разным циклам их близкое расположение не является препятствием для обработки.
Обрабатывающие центры с ЧПУ предназначены для комплексной обработки деталей различными видами инструментов, с программным управлением и автоматической сменой инструментов. Возможности обрабатывающих центров используют главным образом для обработки корпусных деталей, плит, кронштейнов и других деталей, имеющих большое число отверстий, требующих обработки с различных сторон.
По некоторым статистическим данным корпусные детали составляют более половины всех обрабатываемых деталей на станках данного типа. На обрабатывающих центрах обрабатываются с одной установки в автоматическом цикле все поверхности, кроме базовой (при наличии поворотного стола), а при автоматической переустановке детали может обрабатываться и последняя. Проведенный анализ показал, что 32% корпусных деталей подлежат обработке с двух - четырех сторон и примерно 50% - с пяти-шести сторон. В последнем случае необходимо вращение детали вокруг двух осей или ее переустановка.
Большинство обрабатывающих центров применяют для сверления, зенкерования, развертывания, растачивания отверстий, торцовой подрезки, фрезерования фасонных контуров и плоскостей, нарезания резьбы. Причем на сверление и нарезание резьбы на обрабатывающих центрах затрачивается 70% времени, на фрезерование - 20%, растачивание - 10%. Помимо обрабатывающих центров, выполняющих указанные операции и созданных на базе компоновок сверлильных, горизонтально-расточных и фрезерных станков, распространены компоновки обрабатывающих центров на базе токарных станков.
Комплект необходимых инструментов может находиться непосредственно в магазинах, в шпинделях, расположенных на одной или нескольких револьверных головках или в магазинах. Некоторые обрабатывающие центры снабжены револьверной головкой и магазином. В обрабатывающих центрах с револьверными головками с числом инструментов до 8-12 смена инструмента осуществляется поворотом револьверной головки, содержащей шпиндельные узлы с инструментом, в рабочую позицию, на которой шпиндель приводится во вращение. В некоторых случаях в револьверной головке установлены только инструменты, которые в рабочей позиции поочередно приводятся во вращение шпинделем.
В обрабатывающих центрах с ЧПУ, имеющих магазины, извлечение нового инструмента из магазина и отработавшего из шпинделя, постановка нового на посадочное место в шпинделе и отработавшего - в магазин осуществляются с помощью специального автооператора, а иногда при взаимном перемещении шпиндельного узла или магазина (за 2-10 с).
Для создания больших возможностей обработки деталей на обрабатывающих центрах с различных сторон эти станки снабжают помимо основных столов, имеющих перемещение по трем координатам, поворотными столами, имеющими поворот вокруг вертикальных, а иногда и горизонтальных осей. Применение так называемых глобусных (наклонно-поворотных) столов позволяет вести обработку при вращении детали вокруг наклонной оси с одновременным вращением вокруг двух осей. По числу возможных перемещений и числу управляемых координат обрабатывающие центры могут быть трехкоординатными, когда детали сообщается перемещение по двум горизонтальным и одному вертикальному направлению, четырех-, пяти-, шестикоординатными, когда к первым трем добавляются круговые перемещения соответственно вокруг трех осей.
Обрабатывающих центры с ЧПУ характеризуется наиболее высоким уровнем автоматизации и производительности, более высокими требованиями к точности изготовления деталей, сборочных единиц, системе управления, чем это имеет место по отношению к универсальным станкам. Можно считать, что производительность при обработке на обрабатывающем центре по сравнению с универсальными станками увеличивается в среднем в 3-8 раз при окупаемости подобных станков за 2-5 лет.
Большая эффективность от применения обрабатывающих центров получается при обработке более сложных деталей, требующих повышенной точности. Эффективность от использования возможностей фрезерных обрабатывающих центров с ЧПУ имеет различные характеристики:
- машинное время в цикле обработки повышается до 60-75% вместо 25-35% на универсальных станках;
- сокращается вспомогательное время за счет высокого уровня автоматизации (автоматической смены инструментов и кантования или автоматической смены деталей с малыми затратами времени; высоких скоростей холостых ходов - до 10-15 м/мин; подналадки инструментов вне станка; исключения контрольных операций; применения двух считывающих устройств и т. д.).
Повышение точности достигается в результате ликвидации перебазирования деталей и обработки связанных между собой поверхностей жесткими допусками положения от одной базы. Достигается сокращение производственного цикла, высвобождение площадей. Повышается мобильность производства при переходе от обработки одних деталей к другим, что особенно важно для мелкосерийного производства, сокращается внутрицеховой транспорт, высвобождается рабочая сила из-за уменьшения числа обслуживаемых станков, контрольных операций и транспортных функций.
Лучшие обрабатывающие центры предоставляют возможность, удобного и относительно быстрого ввода коррекции на длину и радиус инструментов; повышения эффективности использования программного управления; сокращения сроков освоения новых изделий; сокращения межоперационных заделов. Следует признать исключительно удачным определение обрабатывающих центров как станков интегрального класса. Отнесение обрабатывающих центров к этой группе вытекает из стройной схемы развития автоматизированных станков.
Рис. 1. Зависимость себестоимости обработки С от числа обрабатываемых деталей N: 1 - на универсальных станках; 2 - с применением обрабатывающих центров
Повышение производительности достигается как за счет специализации станков, так и за счет концентрации операций на одном станке. На обычных агрегатных станках осуществляется параллельная концентрация операций. Следующей стадией развития является последовательная концентрация операций, т.е. интеграция операций с наибольшей автоматизацией вспомогательных функций в результате главным образом программного управления и мероприятий по ускорению переналадки. Последнее создает условия для эффективного использования обрабатывающих центров в мелкосерийном производстве с партией в отдельных случаях 5-10 шт. (группа A) (рис. 1 и 2).
Объем механической обработки деталей, изготовляемых в мелкосерийном и среднесерийном производствах (где особенно эффективно применение обрабатывающих центров с ЧПУ), составляет примерно 75-80% объема механической обработки всей номенклатуры деталей, обрабатываемых этим способом. Так как по тем же данным в ближайшие 20 лет можно ожидать удвоение номенклатуры изделий, то вопрос о более широком применении обрабатывающих центров является особенно актуальным.
Развитию станков с ЧПУ вообще, и в частности обрабатывающих центров дающих широкие возможности, уделяется исключительно большое внимание. В нашей стране создаются обрабатывающие центры с широким использованием принципов унификации и агрегатирования, гаммы обрабатывающих центров на основе базовой модели. Эффективно внедряется управление отдельными станками и целыми комплексами этих станков по единой сети с автоматизацией составления программ.
Рис. 2. График изменения себестоимости С обработки деталей на станках разного типа: А - общее число изделий, шт; Б - число деталей в партии, шт; В - производительность обработки, шт/ч; І - широкоуниверсальные станки инструментального типа; ІІ - универсальные станки; ІІІ - станки общего назначения; ІV - специальные станки; V - автоматические линии; 1 - станки с программным управлением; 2 - станки без программного управления; 3 - быстропереналаживаемые станочные линии с использованием обрабатывающих центров
Технологические возможности обрабатывающих центров
Обрабатывающие центры с успехом заменяют фрезерные и другие типы станков, на которых производится обработка плоскостей, уступов, пазов. Возможна обработка фрезой отверстий большого диаметра и винтовых канавок. Большая мощность привода главного движения и жесткость шпиндельного узла позволяют производить и чистовую, и черновую обработку. Возможность обработки одной фрезой наружных и внутренних цилиндрических поверхностей различных диаметров позволяет сократить номенклатуру инструмента. Та же фреза может использоваться для обработки наружных диаметров фланцев вместо токарной операции.
Различные по диаметру резьбы, имеющие одинаковый шаг, можно нарезать одним резцом. Единые установочные базы заготовок позволяет достигать высокой точности при ограниченном количестве оснастки.
Обрабатывающие центры предназначены для обработки деталей из различных сталей, чугуна, цветных сплавов, алюминия, магния и т. д. Для сокращения машинного времени на обрабатывающих центрах предусматриваются более высокие скорости резания и подачи, чем на универсальных станках. Автоматическая смена инструмента с учетом времени необходимого для автоматического изменения числа оборотов и величины подачи выполняется за 5÷10 с. При этом на станках предусматривается автоматическое управление переходом с ускоренного перемещения на замедленное при подходе к требуемой координате и возможность чередования быстрой и рабочей подачи подвижных узлов. Применяется также автоматическое управление стандартными циклами обработки и автоматическое выполнение различных функций станка.
Единственный вид работы, который требует ручного труда - это установка и крепление детали на станке.
Высокая степень точности и малая шероховатость, необходимые при изготовлении деталей, привели к развитию приводов позиционирования и малых подач, регулируемых приводов постоянного тока, электрических приводов с тиристорными преобразователями, имеющих широкий диапазон регулирования. Совершенствуются системы направляющих подвижных узлов: используются направляющие качения, гидростатические, скольжения с полимерными накладками. Винтовые пары скольжения практически везде заменены на пары качения. Все это привело к сокращению времени позиционирования, повышению точности до величины не хуже - 0,01 мм с повторяемостью установки - 0,0025 мм.
Несмотря на большое разнообразие форм, размеров и требований к точности и качеству поверхностей, их обработка на обрабатывающих центрах, как правило, окончательная. Многие современные обрабатывающие центры по своей точности соответствуют станкам повышенного класса точности, а некоторые - близки к координатно-расточным станкам. На них выполняется растачивание отверстий до 6÷7 квалитетов точности при шероховатости (по чугуну) в пределах Ra =1,0÷2,0 мкм.
Наличие программного управления движениями всех подвижных узлов и автоматической замены режущего инструмента при большем числе программируемых координат позволяет в автоматическом цикле обрабатывать самые сложные по форме корпусные детали с одной установки со всех сторон, кроме поверхностей базирования и закрепления заготовки. Благодаря этому реализуется наивысшая точность взаимного расположения обработанных поверхностей. Кроме того, создаются условия для многостаночного обслуживания. На станке идет обработка сложных деталей последовательно различными инструментами, что увеличивает общую продолжительность цикла обработки. Оператор значительную часть времени не занят обслуживанием станка и может использовать это время на многостаночное обслуживание. При этом исключается влияние на качество обработки ошибок оператора. Элементы цикла обработки (команды, информация о размерах, выборе инструмента, скорости, подачи и т. п.) выполняются автоматически соответствии с заданной программой, а поэтому не зависят от действий оператора. Внедрение обрабатывающих центров приводит и к снижению требований к квалификации оператора. На универсальных станках сложные корпусные детали, как правило, выполняются рабочими самой высокой квалификации, т. к. она и определяла, в основном, качество детали. На обрабатывающих центрах весь цикл обработки выполняется автоматически. В обязанности рабочего входит лишь наблюдение за работой, загрузка и снятие обработанных деталей. Несмотря на высокую стоимость этих станков, при правильном их использовании они могут окупаться за 1-2 года.
В отличие от традиционных агрегатных многошпиндельных станков-автоматов и автоматических линий, широко используемых в массовом производстве, повышение производительности труда на обрабатывающих центрах достигается не за счет одновременной обработки различными инструментами сразу нескольких поверхностей, а путем резкого сокращения непроизводительных потерь времени на различных холостых перемещениях и при переналадке станка. В условиях производства деталей мелкими партиями доля машинного времени в общем объеме процесса обработки на обычных станках с ручным управлением не превышает 18÷20%. С введением ЧПУ эта доля увеличивается до 45÷50%, а на обрабатывающих центрах достигает 70÷75%.
Возможность быстрой замены износившегося инструмента делает в ряде случаев целесообразным настолько повышать режимы обработки, что размерной стойкости инструмента хватает лишь на обработку одной, наиболее протяженной поверхности.
Стабильность размеров деталей, обрабатываемых на обрабатывающих центрах, позволяет сократить число контрольных операций на 50÷70%.
Для снижения потерь времени, связанных с наличием ручной фазы работы, обрабатывающие центры оснащаются двумя или более сменными столами. Если на одном столе ведется обработка очередной заготовки, со второго стола снимается готовая деталь и на ее место устанавливается следующая заготовка. Таким образом, происходит совмещение ручного и машинного времени. А для того, чтобы ввести новую заготовку в рабочую зону после завершения обработки предыдущей, требуется всего лишь несколько секунд.
Производительность изготовления деталей на обрабатывающих центрах в 5÷10 раз выше, чем на универсальных. При этом простота наладки и переналадки обрабатывающих центров, а также исключение сложной и дорогостоящей технологической оснастки (шаблонов, копиров, кондукторов, специальных приспособлений и т. п.) создают благоприятные условия для применения таких станков в мелкосерийном и опытном производстве.
Многие технологические возможности обрабатывающих центров определяются их компоновочным решением. Поэтому в настоящее время выпускаются различные компоновки обрабатывающих центров. Это объясняется повышенным спросом на такие станки и обуславливает значительное количество заводов-изготовителей производящих станки обычно на базе выпускаемых ими универсальных станков.
Обрабатывающие центры пригодны для изготовления любых деталей, однако высокая стоимость делает нерентабельным их использование при производстве простых деталей. Чем сложнее деталь, чем большее количество переходов и операций содержит технологический процесс, тем эффективнее применение этих станков.
Анализ разнообразных деталей различных отраслей промышленности показывает, что 20% заготовок требует не более двух операций с помощью 1-3 инструментов и их целесообразно обрабатывать на простых станках, 80% заготовок требуют обработки несколькими инструментами (до нескольких десятков) и их целесообразно обрабатывать на станках с ЧПУ, и прежде всего на обрабатывающих центрах, 18% из таких деталей требуют обработки с одной стороны, 32% - с 2-4-х сторон, 35% - с 5-7 (для чего требуется глобусный стол), 15% - с 6-8 сторон.
