Специальное оснащение станков с ЧПУ

Многооперационные станки не могут применяться без таких важных узлов, как поворотные столы или шпиндельные головки. Как тот, так и другой узел обеспечивают расширение технологических возможностей станков в плане обработки сложнопрофильных деталей. Каждый из этих узлов увеличивает число управляемых координат на одну и даже на две. В зависимости от конструктивного исполнения, столы могут быть поворотными относительно одной оси (вертикальной или горизонтальной), добавляя станку одну координату.

Столы бывают и двухкоординатными (тогда их называют глобусными), что добавляет станку две дополнительные управляемые координаты. В этом случае могут обрабатываться детали с отверстиями в самых разных направлениях, поверхности сложной пространственной конфигурации (кральчатки, лопатки турбин, лопасти гребных винтов и т.п.).

Аналогичные задачи решаются посредством шпиндельных головок. Они также увеличивают число управляемых осей, но при этом изменению пространственного расположения подвергается не деталь, а сам режущий инструмент. Это направление более перспективно при обработке массивных и крупногабаритных деталей, которые плохо вписываются в размеры столов станков средних размеров. Для них приходится проектировать более мощные станки.

Ниже подробно рассматриваются типы указанных узлов, выпускаемых в настоящее время предприятиями и фирмами, специализирующимися на производстве многооперационных станков и комплектующих для них. Посредством приводимых технических характеристик можно оценить возможности узлов в смысле достижимой точности, передаваемых моментов, мощности резания, грузонесущей способности и быстродействия.

На рис. 60 приведена диаграмма, на которой показаны технические параметры, обусловливающие эффективность обработки деталей. Сделано это применительно к столам и шпиндельным головкам (нижняя часть рисунка). Можно видеть, что эта часть признаков относится к обработке крупногабаритных деталей, что предусматривает удобство доступа режущего инструмента к детали. Часть требований (в средней части диаграммы) являются общими для рассматриваемых узлов.

Рис. 60. Диаграмма взаимосвязанных параметров при использовании в составе станков типа ОЦ поворотных столов и шпиндельных головок

Столы многооперационных станков. Неотъемлемой частью обрабатывающих центров являются столы, которые служат для размещения на них обрабатываемых деталей. Столы воспринимают усилия резания, вес детали и зажимной оснастки. Поэтому они должны обладать достаточной прочностью и жесткостью конструкции. Они же обеспечивают заданные программой координатные перемещения. Отсюда возникает требование по максимально возможной точности позиционирования. Ниже приводятся некоторые примеры конструктивного исполнения столов для станков с ЧПУ самого различного вида и назначения.

Общим для всех столов является наличие конструктивных элементов для крепления на них деталей. Это могут быть Т-образные пазы или система крепежных отверстий. Часть столов снабжается механизмами (чаще с гидравлическим приводом) для быстрого закрепления сменных приспособлений.

Столы могут являться постоянным элементом конструкции станка, но могут поставляться отдельными узлами (так называемые – опции). Для столов возможны линейные и вращательные движения. Они снабжаются приводами, которые работают от системы ЧПУ, давая очень высокую точность позиционировании по линейным и круговым осям.

Столы выпускаются также накладными, являясь автономным агрегатом, который крепится к основному столу станка. С помощью таких столов достигается 4-х и 5-ти координатная обработка деталей сложной конфигурации.

Технологические возможности станков расширяются в направлении обработки наиболее сложных деталей типа корпусов, крыльчаток вентиляторов, лопаток турбин, т. е. деталей, которые требуют обработки с различных сторон.

Получение готовых деталей за один установ гарантирует наибольшую точность размеров и формы. Столы также должны отвечать условиям прочности и жесткости, чтобы воспринимать возникающие при резании усилия. Они должны иметь достаточные размеры для размещения обрабатываемой детали и приспособления для закрепления ее. При этом должен быть обеспечен доступ в зону резания любого из инструментов, предусмотренных данной технологической операцией.

На столе часто размещают дополнительный элемент, называемый паллетой. Уже на ней крепят заготовку обрабатываемой детали. Паллета выполняется быстросменной за счет зажимных устройств стола. В этом случае значительно экономится вспомогательное время на установку и закрепление заготовки. Соответственно уменьшается время простоев станка.

В высокоавтоматизированном производстве детали могут подаваться на обработку в специальных приспособлениях-спутниках. Особенно большой выигрыш получается для сложных корпусных деталей, не имеющих устойчивого положения. В этих же приспособлениях детали проходят контроль, межоперационное транспортирование, а также хранятся в накопителях в ожидании очереди на обработку.

Практическое использование принципа постоянства баз и постоянство величины зажимного усилия способствуют повышению точности обработки. Примеры устройств, применяемых для закрепления деталей на столах станков, даны в конце настоящего пособия.

Рис. 61. Круглый поворотный стол с паллетой для установки заготовки

Размер стола, показанного на рис. 61, равен 630 х 630 мм., максимальная нагрузка на стол – 1200 кг. Максимальные размеры обрабатываемой детали составляют 930 х 1000 мм. Установка паллеты производится на четыре конических фиксатора.

На рис. 62 а приведен в качестве примера накладной поворотный стол с двумя одновременно управляемыми осями «А» и «С» (модели ИСН320, ИСН800 и ИСН1000). Они производятся Ивановским заводом тяжелого станкостроения и предназначены для расширения технологических возможностей как новых, так и находящихся в эксплуатации вертикальных и горизонтальных сверлильно-фрезерных станков и обрабатывающих центров.

а

б

Рис. 62. Накладные 2-х координатные столы: а – поворотные столы серии ИСН; б – тяжелые поворотно-подвижные столы серии ИРС

С установкой на основной стол станка накладного стола появляется возможность обработки широкой группы деталей типа крыльчаток, лопаток турбин, штампов, пресс-форм и других деталей особо сложной пространственной конфигурации. Одновременное управление двумя координатами накладного поворотного стола может осуществляться от системы ЧПУ станка или от автономной двухкоординатной системы ЧПУ.

Управление гидрозажимными устройствами накладных столов возможно от гидросистемы станка или от автономной гидростанции.

Приведем техническую характеристику этих столов.

Техническая характеристика столов серии ИСН

ИСН320 ИСН800 ИСН1000

Поворотно-подвижные автономные столы (рис. 62 б) предназначены для установки и крепления тяжелых корпусных деталей, обрабатываемых на горизонтально-расточных станках и обрабатывающих центрах.

Перемещение осуществляется посредством шарико-винтовой пары с приводом от высокомоментного электродвигателя переменного тока. Отсчет величины линейных перемещений производится с помощью оптической линейки.

Поворотная часть стола смонтирована прецизионном двухрядном роликоподшипнике и направляющих с гидроразгрузкой. Отсчет углов поворота обеспечивается оптическим датчиком углов поворота.

Техническая характеристика столов ИРС

ИРС2000 ИРС2500 ИРС3500

У всех столов серии ИРС усилие подачи составляет 30 кН, ускоренное линейное перемещение 10 м/мин., дискретность поворота равна 0,001 градуса.

Далее, на рис. 63 представлены разновидности столов. На рис. 63 а изображен наклонно-поворотный стол с трехкулачковым самоцентрирующим патроном в качестве зажимного приспособления. Такая комбинация позволяет вести обработку под различными углами цилиндрических деталей.

Стол (рис. 63 б) имеет планшайбу с горизонтальной осью вращения и четырьмя Т-образными пазами. На ней можно крепить самые разнообразные заготовки. Рис. 63 в содержит изображения глобусного стола, установленного на станке с вертикальной осью вращения шпинделя. Там же показаны оси координат станка: ось Z, совпадающая с осью шпинделя, ось С – вращения стола вокруг его оси, ось А – горизонтальная ось, вокруг которой совершается наклон стола (знак «минус» – от оператора, знак «плюс» – к оператору). На рис. 63 г дан крупногабаритный наклонно-поворотный стол с планшайбой для установки станочного приспособления или крепления заготовки непосредственно отдельными прижимами.

а	б
в	г

Рис. 63. Примеры конструкций столов для станков с ЧПУ: а – наклонно-поворотный стол; б – поворотный стол с горизонтальной осью вращения;

в – поворотный двухкоординатный стол с изображением системы координат станка; г – крупногабаритный наклонно-поворотный стол с планшайбой

Рис. 64 дает представление о типаже столов, которыми оснащаются современные многоцелевые станки. Стол, который изображен на рис. 64 а, имеет две управляемые оси А и С.

а	б
в	г

Рис. 64. Столы многоцелевых станков различного конструктивного исполнения: а – двухкоординатный стол станка Thunder 500TT; б – наклонно-поворотный стол станка Storm 1250; в – аналогичный стол станка Storm 940; г – поворотный стол типа MR;

Минимальный программируемый по обеим осям угол равен ± 0,001^о. Угол качания по оси А от +10 до – 110^о, наибольший момент зажима 20000 Нм., размер устанавливаемой паллеты составляет 500х500мм. Погрешность позиционирования в пределах 6-ти угловых секунд.

Стол, приведенный на рис. 64 б, отличается большими размерами паллеты, которые равны 800х1000 мм., момент зажима достигает 28000 Нм., погрешность позиционирования достигает 12 угловых секунд.

Параметры стола (рис. 64 в) близки к параметрам предыдущих столов: минимальный программируемый угол равен ± 0,001^о. Угол качания по оси А от +10 до – 110^о, наибольший момент зажима также 20000 Нм., однако размер паллеты достигает 630х800 мм. Погрешность позиционирования находится в пределах 12-ти угловых секунд.

Стол (рис. 64 г) обладает одной управляемой координатой – вращением вокруг горизонтальной оси. В гамму столов входит четыре модели: MR 160, MR 200, MR 250 и MR 320. К техническим характеристикам этого ряда столов можно отнести следующие параметры: 160 – 320 мм., момент зажима 310 – 1200 Нм и др. Для крепления деталей на планшайбе предусмотрены специальные отверстия.

На рис. 65 приведено продолжение примеров типов столов для многоцелевых станков. Стол, показанный на рис. 65 а, имеет две управляемые кординаты А и С, диаметр планшайбы равный 180 мм., момент зажима 40 Нм.

Предусмотрены и отверстия для крепления оснастки и четыре радиально расположенных Т-образных паза, что расширяет возможности стола.

На рис. 65 б показан глобусный стол со стойкой и горизонтальной головкой типа Н станка модели HSC фирмы OMV. В столе выполнены радиальные пазы для крепления оснастки.

Рис. 65 в и г демонстрирует накладные столы горизонтального и вертикального исполнения. Такие столы используются, например, на станках модели PERLA фирмы OMV.

а	б
в	г

Рис. 65. Столы многоцелевых станков различного конструктивного исполнения (продолжение): а – наклонно-поворотный стол типа ТТ ф. KITAGAWA NC; б – глобусный стол со стойкой и горизонтальной головкой типа Н станка HSC ф. OMV; в и г – накладные столы (опция) с горизонтальной и вертикальной осью вращения, соответственно для станков PERLA ф. OMV;

а	б
в	г

Рис. 66. Поворотные столы, управляемые от систем ЧПУ: а – глобусный стол станка ESTREMA в рабочем положении; б – двухкоординатный поворотный стол станка HSC с поворотной шпиндельной головкой; в – концепция стола со сменой прямоугольного на поворотный; г – встроенный поворотный стол модели PHS912TT

Стол (рис. 66 а) также относится к двухкоординатным глобусным столам, имеет диаметр 800 мм., скорость его поворота составляет 120 об/ мин., а скорость качания вокруг оси А равна 60 об/мин. В обычном положении (при отсутствии поворотов) его рабочая плоскость совмещается с плоскостью прямоугольного стола.

Слева виден вертикальный шпиндельный узел станка.

На рис. 66 б частично показан общий вид станка, где двухкоординатный поворотный стол станка модели HSC изображен вместе с поворотной шпиндельной головкой. Число управляемых координат, таким образом, еще больше увеличивается. Правда некоторые из них дублируются.

Рис. 66 в отражает новую тенденцию, которая заключается в использовании на станке одновременно стола с прямолинейными программируемыми перемещениями и круглого поворотного стола. Поворот последнего достигает 180 градусов.

Такое решение применено на станке модели ESAGON фирмы OMV. Столы могут вводиться в работу попеременно, в соответствии с технологической необходимостью. Размер прямоугольного стола равен 1300х700 мм., а круглый имеет диаметр 540 мм.

Приведем в качестве примера техническую характеристику встроенного стола (рис. 66 г) модели PHS912TT.

Техническая характеристика стола модели PHS912TT

1. Диаметр, мм 900

2. Максимально допустимая масса нагрузки, кг 1000

3. Момент зажима гидравлического тормоза, НМ 7200

4. Максимальная скорость вращения, об/мин. 80

5. Расстояние от торца стола до шпинделя, мм 25-575

6. Параметр датчика обратной связи, имп./об 36000

Сменные фрезерные головки. Помимо столов в состав многооперационных станков входят различного рода узлы, получившие общее название «головки». Они крепятся на стойке или шпиндельной бабке (в зависимости от наличия их на станке). Являются неотъемлемой составной частью современных станков типа ОЦ. Достаточно условно их можно подразделить на фрезерные и шпиндельные.

Голова – это автономный узел, расширяющий технологические возможности станков. С их помощью обеспечивается обработка за один установ детали в наиболее труднодоступных ее местах. Этим достигается повышенная точность обработки и стабильность размеров.

Прежде всего, это касается формообразующих деталей пресс-форм и штампов. Обрабатываются также детали авиационной техники, лопатки турбин, гребные винты кораблей и т.п. специфичные детали.

Далее приведены примеры таких узлов (рис. 67) и показаны этапы работы одной из разновидностей сменных головок (рис. 68).

Последняя модель применяется на высокоточных 5-ти осевых фрезерных обрабатывающих центрах, предназначенных для обработки деталей штампов и пресс-форм.

Конструкция самой головки позволяет вести обработку по 4 или 5 координатным осям. Этим автоматизируется трудоемкий процесс изготовления наиболее ответственных деталей штамповой оснастки, снижается доля доводочных и пригоночных операций, зачастую выполняемых с применением ручного труда.

Типичная угловая односторонняя головка для сверления с постоянным углом 90º между осями шпинделя головки и шпинделя станка представлена на рис. 68 б. Она постоянно закреплена на станке, а угол положения инструмента не меняется. Ускорительные головки (рис. 68 в) предназначены для увеличения частоты вращения инструмента. Передаточное число модельного ряда ускорительных головок в зависимости от диаметра фрезы бывает от 3 до 5,67, а максимальная частота вращения от 12000 до 35000 об/мин. Они обеспечивают биение инструмента на длине, равной четырем диаметрам фрезы не более 3 мкм.

Головки со встроенными электрошпинделями служат для достижения частот вращения порядка 30000 об/мин, что необходимо для работы концевыми фрезами в режиме высокоскоростной обработки.

а	б
в	г

Рис. 67. Разновидности сменных фрезерных головок: а – универсальная конструкция; б – с поворотом на 90^о; в – 5-ти сторонняя головка; г – головка

с возможностью 5-ти осевой обработки

а

б

Рис. 68. Общий вид сменной фрезерной головки модели M5A/34-24-04:

а – исходное положение; б – головка в рабочем положении при обработке

а

б

в

Рис. 69. Типы сменных головок различного назначения: а – сменная

угловая односторонняя головка; б – постоянная угловая головка для сверления отверстий; в – ускорительная головка

Табл. 9. Технические данные сменных головок для станков с ЧПУ

Шпиндельные головки для станков с ЧПУ.Существуют другие разновидности шпиндельных головок, которые представлены ниже. Они могут быть постоянно установленными на станке или заменяться в зависимости от технологии обработки деталей, входить в конструкцию станка или поставляться отдельно (дополнительно). В последнем случае это опция. В ряде случаев бывает дешевле оснастить имеющийся станок с ЧПУ нужной сменной головкой для увеличения количества управляемых координат, чем покупать новый более дорогой. При многокоординатной обработке широкое применение находят шпиндельные головки различного технологического назначения. Например, при наличии на станке трех исходных координатных осей, число управляемых координат может быть повышено посредством шпиндельной головки до четырех и даже пяти. Это особенно важно при обработке сложнопрофильных деталей, штамповой оснастки, формообразующих деталей пресс-форм, кокилей и т.п.

По расположению оси инструмента при обработке головки можно подразделить на три большие разновидности (типа). Примером применения этих типов головок (рис. 70) могут служит станки фирмы Mandelli (Италия), специализирующейся на выпуске многоцелевых станков.

В качестве пояснения отметим. Головка типа Н – с горизонтальным расположением шпинделя. Она обеспечивает обработку деталей с четырех сторон (при наличии на станке поворотного стола) при частотах вращения шпинделя от 6000 до 15000 об/мин., мощности резания до 45 кВт и моментах резания в пределах 360 – 1500 Нм. Второй тип головок (головки типа U) позволяют вести обработку с горизонтальным или вертикальным положением оси шпинделя. При этом она поворачивается на 90^о. Становится возможной обработка с пяти сторон при одном установе детали, что расширяет технологические возможности станка. Обеспечиваются следующие режимы: частота вращения шпинделя 6000 – 8000 об/мин., мощность резания при горизонтальном расположении оси – 42 кВт (при вертикальном положении до 44 кВт), а момент резания 668 и 678 Нм, соответственно.

а

б

в

Рис. 70. Основные типы применяемых шпиндельных головок: а – головка типа H, б – головка типа U; в – головка типа A

Третий тип головок (тип А) – это интерполируемые качающиеся головки с управлением от системы ЧПУ станка. Они также позволяют вести пятиосевую обработку детали за один установ. Достижимые режимы резания: частоты вращения шпинделя в диапазоне 5000 – 24000 об/мин., мощность в пределах 33 – 45 кВт и момент резания 360 – 955 Нм.

Поворотные головки позволяют вести обработку деталей, постоянно закрепленных на столе станка с различных направлений (рис. 71). Поворот головки программируется.

а б

Рис. 71. Положения поворотной шпиндельной головки станка HSC: а – вертикальное; б – горизонтальное

На рис. 72 показаны шпиндельные головки различного назначения и конструктивного исполнения, выпускаемых целым рядом станкостроительных фирм, а далее приведены технические данные некоторых из них.

Головка, данная на рис. 72 а, является типичной головкой типа А. Она дает возможность обработки поверхностей деталей, которые расположены по различными углами. Ось поворота шпиндельного узла выполнена горизонтальной. Головка имеет высокую точность позиционирования по углу поворота, высокую жесткость конструкции. Частота вращения до 20000 об/мин. и более.

а	б
в	г

Рис. 72. Варианты конструктивного исполнения шпиндельных головок станков типа ОЦ: а – головка станка модели STORM; б – головка двухпозиционная вертикальная и горизонтальная для черновой и получистовой обработки; в – головка двухшпиндельная поворотная; г – головка станка модели станка PHS 912P фирмы FAMU

Головка на рис. 72 б относится к угловым, может давать вертикальное и горизонтальное положения шпинделя и служит для проведения тяжелых работ.

На рис. 72 в приведена двухшпиндельная головка TSVV, предназначенная для комплексной черновой и чистовой обработки, которая имеет электрошпиндель мощностью 7 кВт. Ввод в работу очередного шпинделя осуществляется программируемым поворотом головки на 180^о.

а	б
в	г

Рис. 73. Варианты конструктивного исполнения шпиндельных головок (продолжение): а – головка станка модели PHS 912ТТ; б – головка станка MASTER P; в – головка станка PHS five; г – поворотная головка станков модельного ряда ROCK

На верхнем шпинделе видны сопла для подачи охлаждающей жидкости, которые можно регулировать по направлению действия. Головка, представленная на рис. 72 г, имеет до 20000 об/мин., возможность поворота по оси А ± 45^о, по оси С ± 100^о, скорость поворота до 75 ^о/с. Для головки, данной на рис. 72 д, характерна увеличенная до 24000 об/мин частота вращения.

Головки, показанные на рис. 73 а и 73 б, имеют схожие технические характеристики, отличаясь от других типов лишь размерами и внешней формой. Головка (рис. 73 б) обеспечивает поворот по оси А до ± 95^о и по оси С ± 100^о, благодаря чему позволяет вести обработку поверхностей деталей, расположенных под большими углами наклона.

Головка (рис. 73 в) работает на следующих режимах: скорость поворота при подаче до 75^о/с., скорость быстрого перемещения 120^о/с. Поворот вокруг горизонтальной оси А выполняется в пределах от – 110^о до + 115^о, а по оси С (на рис. 73 в – вертикальная) равен ± 220^о.

Головки (рис. 73 г) в зависимости от модификаций обеспечивает частоту вращения от 10000 до 24 000 об/мин. Пределы наклона по оси А от + 80 до – 120^о. Передаваемая мощность 45 кВт. Наибольший крутящий момент 2100 Нм.

а

б

Рис. 74. Пример головок более простой конструкции: а – головка-удлинитель шпинделя; б – головка с расточной оправкой (пинолью)

Головка (рис. 74 а) увеличивает вылет шпинделя, что бывает необходимо при обработке крупногабаритных деталей. Передаточное отношение равно 1 : 1 при 3000 об/ мин. и мощности в 30 кВт. Посадочный конус – DIN 50.

а	б
в	г

Рис. 75. Варианты исполнения и расположения шпиндельных головок:

а – угловая поворотная головка модели TU16; б – угловая головка для легких работ модели TB; в – шпиндельная головка типа А в процессе работы; г – головка станка в совокупности со встроенным поворотным столом

Головка, показанная на рис. 74 б, позволяет производить операции растачивания отверстий диаметром до 130 мм, рабочий ход ее пиноли равен 650 мм, вращение осуществляется с частотой 2500 об/мин., конус DIN 50.

а	б
в	г

Рис. 76. Гамма головок для обрабатывающих центров группы фирм PARPAS: а – автоматическая универсальная головка; б – прямоугольная с непрерывным позиционированием; в – двухосевая интерполируемая; г – ускорительная головка

Данные устройства можно прокомментировать так: головка (рис. 76 а) предназначена для фрезерно-сверлильного станка модели ML-100/120, обеспечивает позиционирование в 144 точках по углу поворота, частоту вращения до 3000 об/мин., мощность 30 кВт, посадочное место – конус DIN 50.

Головка (рис. 76 б) обеспечивает непрерывное позиционирование в 360000 угловых позициях. Остальные показатели аналогичны предыдущей. Головка (рис. 76 в) дает повышенные до 4000 об/мин обороты и устанавливается на этот же станок.

Разрабатываются ускорительные головки, которые увеличивают частоту вращения шпинделя. Например, головка (рис. 76 г), имеющая механическую передачу 2 : 1, на том же станке повышает обороты до 6000 об/мин. при передаваемой мощности 20 кВт и осадочном конусе DIN 40.

Рис. 77 а содержит общий вид головок моделей TU600, TOE и TMP40. На рис. 77 б приведены конструкции головок для чистовой обработки моделей TUE, TWE и TW 22. На рис. 77 в слева-направо показаны: угловая вертикальная головка TSVF с механическим шпинделем для черновой обработки деталей; угловая головка TSVM для получистовой обработки; поворотная угловая головка TSUB для чистовой обработки.

Ниже на рис. 78 приведен график, характеризующий работу шпиндельной головки вертикального типа с механическим шпинделем, предназначенной для черновой обработки. Для таких головок характерны небольшие частоты вращения. Кривая 1 на графике показывает зависимость развиваемой мощности от частоты вращения (сплошная и пунктирная линии соответствуют разным режимам работы). Кривая 2 демонстрирует изменение крутящего момента от частоты вращения. Из графика видно, что с увеличением частоты вращения передаваемый крутящий момент постепенно снижается, ограничиваясь 20 – 30% от исходной при максимальных оборотах. Кривая мощности имеет горизонтальный участок, где она практически остается на постоянном уровне. Далее также имеет место некоторое ее снижение.

а

б

в

Рис. 77. Шпиндельные головки многоцелевых станков: а – угловая, двухкоординатная и удлинительная, соответственно обозначенных моделей; б – аналогичные головки для выполнения легких работ; в – головки обрабатывающего центра модели EMERALD

Рис. 78. График зависимости передаваемой мощности и крутящего момента от частоты вращения шпиндельной головки