Технологические возможности многооперационных станков (обрабатывающих центров)

Учитывая важность, прогрессивность и наиболее широкое применение этих станков в современном производстве, следует остановиться на их технологических возможностях более подробно. Ниже приводятся примеры конструктивного исполнения указанных станков, дается специфика разработки их основных узлов и средств оснащения.

Обрабатывающий центр представляет собой высокоавтоматизированный станок с программным управлением, дополнительно снабженный специальным инструментальным магазином для хранения комплекта режущего инструмента и устройством его автоматической замены в процессе обработки детали.

С помощью системы программного управления на этих станках осуществляются автоматические перемещения заготовки вдоль трех координатных осей и ее вращение вокруг вертикальной оси поворотного стола. В ряде случаев обрабатывающие центры снабжаются глобусным столом (см. ниже), имеющим не только вертикальную, но и горизонтальную ось вращения, что дает возможность осуществлять обработку сложных корпусных заготовок с разных сторон и под различными углами с одного установа.

Имеются конструкции обрабатывающих центров, позволяющие устанавливать ось шпинделя в соответствии с заданной программой, горизонтально, вертикально или наклонно (под любым углом наклона, указанным в чертеже детали).

Программное управление станка обеспечивает необходимое изменение скорости вращения шпинделя, рабочей подачи и скоростей холостых перемещений, а также включение и выключение подачи смазочно-охлаждающих технологических средств, а также других устройств и органов станка.

Запасной режущий инструмент помещается на револьверных головках или в специальных инструментальных магазинах большой емкости, что дает возможность, в соответствии с управляющей программой, автоматически устанавливать в шпинделе станка практически любой инструмент, требуемый для обработки соответствующей поверхности заготовки. Такая смена инструмента станка регламентируется по времени и обычно производится за 2 – 6 секунд.

На некоторых обрабатывающих центрах вместо смены инструмента в рабочем шпинделе производится замена самих шпинделей со вставленными в них инструментами. В этих станках находят широкое применение сменные шпиндельные головки (см. ниже).

На обрабатывающих центрах осуществляются почти все процессы обработки резанием: сверление, зенкерование, развертывание, растачивание, нарезание резьбы, а также фрезерование плоскостей и сложных контуров.

Непрерывное программное управление всеми движениями станка (в том числе поворотного стола) и автоматическая смена большого количества режущих инструментов обеспечивают в некоторых моделях обрабатывающих центров до 500000 различных положений инструмента относительно обрабатываемой детали. Это позволяет осуществлять обработку самых сложных корпусных заготовок с одного установа со всех сторон, по всем поверхностям заготовок, кроме базовых, по которым производятся установка и закрепление заготовок. Все это способствует достижению наивысшей точности взаимного расположения обрабатываемых поверхностей (принцип постоянства баз). Примеры обрабатываемых на данных станках деталей даны в конце настоящего пособия.

Несмотря на разнообразие форм, размеров и требуемой точности различных поверхностей, их обработка производится на обрабатывающих центрах, как правило, окончательно. Исключением являются лишь некоторые доводочные операции (например, хонингование отверстий в блоках цилиндров двигателей и т. п.), которые пока еще выполняются на специальных станках.

Обрабатывающие центры выпускаются, как правило, с одним шпинделем или с револьверными шпиндельными головками, шпиндели которых работают поочередно. Существуют конструкции станков, имеющие головки с двумя шпинделями, индексируемыми при смене инструментов. В этом случае замена инструмента в одном из шпинделей производится во время работы другого, что сокращает потерю времени на смену инструмента на 2 – 3 секунды.

В некоторых конструкциях обрабатывающих центров имеется два различных шпинделя: oдин для тяжелых работ (обычно для фрезерования) и один – для легких и более точных. Однако во всех случаях обработки различных поверхностей заготовок ведется последовательно одним инструментом, сменяемым в соответствии с установленной программой, что несколько снижает производительность станков.

Известно, что на агрегатных станках, многошпиндельных станках-автоматах и в автоматических линиях, применяемых в крупносерийном и массовом производствах, повышение производительности обработки достигается посредством совмещения технологических переходов и параллельной многоинструментальной обработки большого количества поверхностей.

На обрабатывающих же центрах производительность обеспечивается путем резкого сокращения вспомогательного и подготовительно-заключительного времени путем интенсификации режимов резания. Автоматизация холостых перемещений и повышение их скорости до 10 – 15 м/мин, а также автоматизация смены заготовок на поворотном столе в специальной позиции и смены режущего инструмента, резко сокращают затраты вспомогательного времени и повышают долю машинного времени в общем балансе времени обработки.

Известно, что в условиях серийного и мелкосерийного производств доля машинного времени на традиционных станках не превышает 20 – 30 %. На станках с программным управлением она увеличивается до 50 – 60 %, а на обрабатывающих центрах даже достигает 80 – 90 %. Простои станка в процессе наладки сокращаются в среднем на 80 %.

Возможность быстрой замены затупившегося инструмента делает экономически целесообразной интенсификацию режимов резания, сокращая фактическую стойкость режущего инструмента до величины, достаточной для обработки наибольших по размерам поверхностей изделия.

При обработке заготовок на обрабатывающих центрах скорости резания могут быть повышены на 20 – 100%. Стабильность размеров деталей, получаемых на обрабатывающих центрах, позволяет сократить объем контрольных операций на 50 – 70 %.

Длительность смены заготовок, включая корпусные, значительно сокращается при использовании на обрабатывающих центрах сменных паллет, приспособлений-спутников, на которые заблаговременно (вне станка) устанавливают и закрепляют заготовки. Замена паллет с заготовками на станке часто производится автоматически, снижая до минимума его простои.

В результате всего этого производительность изготовления деталей на обрабатывающих центрах в 4 – 10 раз превосходит производительность обработки на универсальных станках и один обрабатывающий центр может фактически заменить четыре, пять и более станков традиционного исполнения.

Важнейшим преимуществом рассматриваемых станков являются простота наладки и переналадки на обработку других деталей, отсутствие необходимости создания сложной и дорогостоящей технологической оснастки (шаблонов, копиров, специальных приспособлений и т. п.). Это обеспечивает гибкость и мобильность процесса производства, позволяет применять обрабатывающие центры в условиях мелкосерийного и даже единичного производств.

Несмотря на относительно высокую стоимость обрабатывающих центров (при правильном их использовании и полной загрузке в две или три смены), они окупаются в срок до двух лет. Этому способствует значительное снижение затрат на технологическую оснастку, сокращение брака, уменьшение требуемого количества станков с соответствующим сокращением производственных площадей, числа операций и общей длительности производственного цикла, а также сокращение объемов незавершенного производства и потребности в складских помещениях. До появления обрабатывающих центров металлорежущие станки создавались применительно к конкретному виду обработки, основанному на вполне определенном процессе резания (обработка токарная, сверлильная, фрезерная, строгальная и т. п. операции). Этот принцип сохранялся при конструировании любых станков: универсальных, с программным управлением, многорезцовых и автоматов или автоматических линий. Соответственно этому технологические процессы проектировались по принципу дифференциации, с большим количеством операций, для выполнения которых технолог выбирал наиболее подходящие станки.

В отличие от этого, обрабатывающие центры предназначаются почти для всех необходимых видов обработки различных заготовок и отличаются друг от друга не процессами резания, а лишь степенью сложности, точностью, размерами и технологическими возможностями.

Наиболее сложные и технически совершенные обрабатывающие центры пригодны для изготовления деталей любой формы и любой степени сложности, однако высокая стоимость делает нерентабельным их использование при производстве простых и дешевых деталей.

При работе на обрабатывающих центрах для сокращения машинного времени могут применяться более высокие скорости резания и подачи. Частота вращения шпинделя изменяется в широких пределах от 60 до 3200 об/мин, а в новейших моделях – до 60000 об/мин. Предусмотрено бесступенчатое регулирование подачи от 0,1 до 3000 мм/мин.

При обработке корпусных заготовок большое значение имеет сокращение вспомогательного времени. Для этого применяется автоматическое перемещение стола, салазок, шпиндельной бабки, пиноли по трем координатам со скоростью 4000 – 5000 мм/мин, что соответствует перемещению заготовки за 1 секунду на 60 – 70 мм.

Автоматическая смена инструмента выполняется всего за 2 – 6 секунд (включая время изменения частоты вращения и подачи, связанное со сменой инструмента). На таких станках предусматривается автоматическое управление переходом с ускоренного перемещения на замедленное при подходе к требуемой точке траектории, а также возможность чередования быстрой и рабочей подач перемещаемых органов станка.

Применяются также автоматическое управление стандартными циклами обработки и автоматическое исполнение различных функций работы станка. Единственным видом работы, выполняемым на большинстве обрабатывающих центров вручную, остается установка и закрепление заготовок в приспособлении станка.

Технологические возможности обрабатывающих центров чрезвычайно широки. Они могут выполнять все виды работ, необходимые при обработке корпусных заготовок. В частности, на обрабатывающих центрах успешно выполняются всевозможные виды фрезерных работ различными конструкциями фрез: фрезерование плоскостей торцовыми фрезами; фрезерование пазов концевыми фрезами; фрезерование дисковыми фрезами; фрезерование по контуру плоских и фасонных поверхностей, фрезерование внутренних платиков, приливов и других поверхностей.

На таких станках возможно последовательное фрезерование всех поверхностей, расположенных с одной стороны заготовки на разных уровнях, что невозможно выполнить при одном установе заготовки на продольно- и карусельно-фрезерных станках.

На обрабатывающих центрах выполняются все виды работ, необходимые при обработке отверстий, в частности: сверление по различным циклам обработки, рассверливание, зенкерование и круговое фрезерование литых и предварительно обработанных отверстий, растачивание, последовательное растачивание в несколько проходов, растачивание набором резцов, установленных в одной расточной борштанге, растачивание резцовыми головками отверстий большого диаметра, а также развертывание.

Технологические возможности растачивания отверстий резко возрастают с применением плансуппортной головки, радиальное перемещение резца у которой программируется по заданному циклу. В этом случае возможно растачивание без смены инструмента ступенчатых отверстий, канавок и выточек, ступенчатых отверстий с внутренней стороны стенки заготовки, конических отверстий и других форм, подрезание торцов, а также торца с противоположной стороны стенки заготовки. На станках выполнима обработка всевозможных крепежных отверстий по разнообразным циклам обработки: сверление, цекование, нарезание резьбы, подрезание торцов бобышек, зенкерование и др. При этом близкое расположение отверстий не является препятствием.

По точности исполнения некоторые обрабатывающие центры близки к координатно-расточным станкам, поэтому на них выполняется тонкое растачивание отверстий, обеспечивающее точность по IT6 и IT7 при шероховатости поверхности для чугуна в пределах Rz = 3…10 мкм.

Многоцелевые станки предназначены для обработки деталей из различных марок сталей, чугуна, цветных сплавов, алюминия, магния и других материалов. При этом для сокращения машинного времени в них предусматривается более высокие скорости резания и подачи, чем в универсальных станках.

Необходимость достижения высокой точности и малой шероховатости изготавливаемых деталей определила развитие приводов позиционирования и малых подач, регулируемых приводов постоянного тока, гидравлических и тиристорных приводов широкого диапазона; совершенствования системы направляющих подвижных узлов (использования направляющих качения, гидравлических направляющих, направляющих скольжения с полимерными накладками); применение винтовых пар качения вместо пар скольжения. Всё это привело к сокращению времени позиционировании и снижению его погрешности до величин порядка 0,005 мм. Несмотря на большое разнообразие форм, размеров и требований к точности и качеству, обработка поверхностей на многоцелевых станках, как правило, выполняется окончательной.

Как уже упоминалось, только две вспомогательные операции требуют ручного труда – это установка (закрепление) и снятие готовой детали. Здесь уместно проанализировать целесообразность применения для выполнения этих вспомогательных операций промышленных роботов. Особенно успешное их использование отмечается для простых по форме деталей с повторяющимися размерами базовых поверхностей под захватное устройство робота.

Для снижения потерь времени, связанных с ручной фазой работы, многие многоцелевые станки оснащаются двумя и более сменными столами. Пока на одном столе ведется обработка очередной детали, со второго стола снимается готовая деталь и на её место устанавливается следующая заготовка. Таким образом, происходит совмещение вспомогательного ручного и машинного времени. Для того чтобы ввести новую заготовку в рабочую зону после обработки предыдущей, требуется всего лишь несколько секунд.

Многоцелевые станки пригодны для изготовления любых деталей, однако высокая стоимость делает нерентабельным их использование при производстве простых деталей. Чем сложнее детали, чем больше операций и переходов содержит технологический процесс, тем эффективнее применение этих станков.

МС характеризуются наиболее высоким уровнем автоматизации и производительности, более высокими требованиями к точности изготовления их деталей, сборочных единиц, к системе управления, чем это имеет место по отношению к универсальным станкам.

Можно считать, что производительность при обработке на МС в сравнении с универсальными станками увеличивается в среднем в 3 – 4 раза. Большая эффективность от применения МС получается при обработке более сложных деталей, требующих повышенной точности. Повышение точности достигается в результате устранения перебазирования деталей и обработке связанных между собой поверхностей жёсткими допусками положение от одной базы и одного программоносителя. Повышается мобильность производства при переходе от обработки одних деталей к другим, что особенно важно для мелкосерийного производства.