Едноколонни обработващи центри

МашиниСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 5, 2015

Едноколонни обработващи центриЕдноколонни обработващи центри

Eдноколонните обработващи центри са едни от най-често използваните в машиностроенето. Общото при тях е колоната - вертикален корпусен детайл, върху който са оформени направляващи за движението по една от линейните оси на машината.

Исторически това са първите компановки на появилите се в края на 50-те години обработващи центри. Базират се на широко разпространените по онова време едноколонни фрезови, пробивни и най-вече разстъргващи машини. Днес едноколонните обработващи центри имат контрапункт в лицето на различни видове портални и безколонни компановки, но редица техни предимства им отреждат значителен дял в съвременния машинен парк.

Основни характеристики
Според броя на осите машините биват 3-, 4- и 5-осни. 3-осните притежават работни движения по три линейни оси (X, Y, Z) и са предназначени за едностранна обработка на заготовката. Чрез добавяне на една или две кръгови оси се получават 4- и 5-осни машини за многостранна обработка.

Корпусните детайли на носещата система са отливки от високояк виброгасящ чугун, по-рядко от полимербетон. В задвижванията се използват асинхронни и синхронни двигатели. Шпинделът, в който се закрепва режещият инструмент, се свързва с главния двигател директно, с ремъчна предавка или се изпълнява като мотор-шпиндел.

Линейните оси са със сачмено-винтови двойки, а за постигане на високи скорости и ускорения се предпочита линеен двигател. Кръговите оси (въртящи и наклоняващи) се задвижват директно от високомоментни безкорпусни двигатели или чрез междинна червячна предавка. Системите за ЦПУ позволяват диалогово програмиране на работното място в цеха, като запазват опцията си и за класическото ISO-програмиране. 5-осните машини, на които се обработват сложни обемно-профилни повърхнини, изискват задължително CAM-програмиране.

Концепцията на едноколонната компановка се използва както при машини от най-малкия типоразмер, така и до свръхголеми уникални центри. Но най-характерната приложна зона на едноколонните обработващи центри е средният типоразмер (400, 500, 630 mm).
Най-важните фактори, определящи приложимостта на едноколонните машини, са компановката и съпротивителните свойства. От тях произтичат основните им потребителски свойства - технологични възможности, точност, производителност, цена, заемана производствена площ и др.

Хоризонтални едноколонни обработващи центри
Хоризонталните обработващи центри са предпочитани в техните 4-осни изпълнения, които дават възможност за обработка на сложни корпусни детайли, включващи челно и контурно фрезоване на джобове и острови с различна конфигурация, цялостна обработка на отвори. Инструменталният магазин е верижен, с голяма вместимост, достигаща до 150 гнезда, смяната е с автооператор. При смяната на заготовките се предпочита двупалетна станция, по-рядко - многоместен палетен магазин.

Т-образни компановки
Компановките с Т-образно тяло са класически. В съответствие с тях се изграждат повечето от произвежданите модели. Прилагат се предимно при машини от среден типоразмер, като в отделни случаи се използват и при долния сегмент на големия типоразмер.

Общата философия е изразена най-добре в 4-осната компановка, показана на фиг. 1а. Движението на заготовката е съсредоточено само върху една линейна ос, изпълнявано от шейната Х. Другите две линейни движения се извършват от работните органи, носещи инструмента: колоната се движи по ос Z, а шпинделната кутия - по ос Y.

Колоната представлява затворена ососиметрична рамка, към която са монтирани направляващите по ос Y. Шпинделната кутия е вградена в колоната. Върху шейната Х е разположена въртяща маса (ос В), която в повечето случаи е NC-управляема, но може да бъде и индексираща. Чрез нея се осигурява 4-странна обработка, която се оказва достатъчна за повечето корпусни детайли. Компановката е удобна за реализиране на автоматична смяна на заготовките, най-често във вид на челно разположена двупалетна станция.

При по-тежките машини, с цел избягване на честото придвижване на големи маси, каквито са колоната и шпинделната кутия, се добавя една спомагателна ос W, успоредна на ос Z, но компановката остава 4-осна. Позициониращото движение по ос W се извършва от колоната, а оперативните движения по ос Z - от пинолата на шпиндела.

За обработване на голямогабаритни заготовки, въртящата маса се вгражда в правоъгълна работна маса. В този случай може да се реализира само 3-осна обработка. При заготовки, вписващи се в габарита на вградената въртяща маса, се изпълнява пълноценна 4-осна обработка. При 5-осните машини шпинделът се наклонява по ос А, а по ос В - въртящата маса.

Обърнати Т-образни компановки
Това са сравнително нови компановки- 4- и 5-осни. На фиг. 1б е показана 5-осна машина. Кръговите оси се изпълняват от комплект въртяща (ос С) и наклоняваща (ос А) маса тип люлка, който получава движение по ос Z. Ангажират се при по-малките до средните типоразмери.

Потребителите ги предпочитат все по-често, тъй като имат предимства, свързани с автоматичната смяна на инструментите и заготовките - отсъствието на движение на колоната по ос Z способства за намаляване на времето „от стружка до стружка” при автоматичната смяна на инструментите, а наличието на незаето пространство около шейната Z (челно и две странични) дава свобода за различни конструкторски реализации на системата за автоматична смяна на заготовките.

При заменянето на кръговите оси с шейна Z се реализира редкият случай в практиката - 3-осна хоризонтална машина. За 5-осна обработка на по-тежки заготовки предимство се дава на изпълнението с въртяща маса и наклоняваща шпинделна глава.

Обработката на тежки и голямогабаритни заготовки се възлага на машините с неподвижна маса. При тях заготовката не извършва движения по осите X, Y и Z. В някои случаи машината се оформя като отделен модул, включващ работните органи, които се движат по линейните оси. Това дава свобода на потребителя в избора му на конфигурация на възела, съдържащ масата.

Поради тази причина компановката е подходяща за гъвкави автоматизирани модули и системи - притежава висока степен на независимост от спецификата на системата за транспортиране на заготовките. Компановката на фиг. 1в е 4-осна и се използва при машините от горния сегмент на средния типоразмер. За повишаване на динамиката се прилага решение, при което движението по ос Z се изпълнява не от колоната, а от пинолата на шпиндела.

В практиката се срещат и хоризонтални обработващи със странично разположение на шпинделната кутия - подобие на конвенционалните хоризонтални пробивно-разстъргващи машини. Това решение се използва при голямогабаритните и уникалните хоризонтални машини. Към вертикално движещата се шпинделна кутия обикновено се монтира кабина за оператора и двете извършват общо линейно движение по ос Y, което дава възможност за удобно наблюдение, настройване и коригиране на процеса на рязане.

Вертикални едноколонни обработващи центри
Предимството им се състои в сравнително добрите показатели на съпротивителните им свойства, в тяхната компактност, която определя малката заемана производствена площ, в по-ниската цена, елиминирането на провисването на инструменталния комплект под действието на собственото му тегло.

Подходящи са за обработване са детайли от типа плоча, фланец, т. е. детайли с неголяма височина, докато дължината и широчината им могат за бъдат значителни. Могат да се обработват различни детайли със сложни обемно-профилни повърхнини като щампи, пресформи, лопатки за турбини, монолитни турбинни колела, медицински и дентални импланти.

Малките типоразмери се използват за производството на детайли за финомеханичната техника (часовници, измервателни уреди). Инструменталният магазин обикновено е с малка вместимост- до 30 гнезда. Предлага се тип „барабан” с автооператор и тип „чадър” без автооператор.

Шпинделната кутия е разположена със силно изразена конзолност извън колоната. Така се осигурява голямо разстояние на оста на шпиндела от колоната и достъп на инструмента до произволна точка от работната повърхнина на масата. Това същевременно е и недостатък от гледна точка на статичната стабилност, защото създава голямо рамо на силите на рязане. Изпълняват се с неподвижна и подвижна колона.

С неподвижна колона
Срещат се в два варианта - с направляващи за вертикално движение и с направляващи за хоризонтално движение. Обработващите центри с колона, върху която са монтирани направляващи за вертикално движение, се изпълняват по принципа на кръстатата маса - заготовката се движи в хоризонталната равнина по осите X и Y, а шпинделът с режещия инструмент - по вертикалната ос Z.

Тази 3-осна компановка се използва от почти всички производители на вертикални обработващи центри и би могла да се определи като класическа за този тип машини. От нея лесно се преминава към 5-осна машина с въртяща маса (ос С) и наклоняваща шпинделна глава (ос В). 4-осна машина се постига чрез добавяне на въртяща маса с хоризонтална ос (ос А) (фиг. 2а).

Машините, при които направляващите са разположени хоризонтално върху колоната, позволяват движение по тях на шейната по ос Y, а върху тази шейна по ос Z се движи шпинделната кутия. Заготовката изпълнява само едно движение - хоризонталното по ос X. 3-осната машина е подходяща за по-тежки заготовки, отличава се с много добра статична стабилност и динамика на движенията.

Това я прави предпочитана и за реализация на 5-осни машини - с добавяне върху шейната по ос Х на въртяща маса (ос А) и към шпинделната кутия на наклоняваща шпинделна глава (ос В) (фиг. 2б). Тази компановка се използва при обработката на лопатки за турбини. Ако масата е напълно неподвижна, а движенията по 5-те оси се изпълняват от шпиндела (кръговите оси- наклоняваща и въртяща шпинделна глава), машината става подходяща за тежки детайли.

С подвижна колона
Предлагат се почти изключително като 5-осни. Предназначени са за обработване на сравнително тежки и/или голямогабаритни детайли. Колоната се движи по ос X или ос Y. Преместването по ос Х прави машината подходяща за голямогабаритни детайли, а високата скорост и динамика на движението се постига чрез вграждането на линеен двигател.

Кръговите оси се предлагат като обединени в един конструктивен възел - въртяща и наклоняваща маса тип люлка (оси А и С) и две наклоняващи шпинделни глави (оси А и В) (фиг. 2в), или като разделени - въртяща маса (ос С) и наклоняваща шпинделна глава (ос В).

С два и повече шпиндела
Тези машини са подходящи за производително серийно обработване на малки по размери детайли. Заготовките се установяват върху работната маса или върху специално приспособление и обработката им се осъществява едновременно по една и съща програма от всеки един от шпинделите. Броят на шпинделите е обикновено 2 или 4. За бързо извеждане на обработените детайли и въвеждане в работната зона на новите заготовки се използват специализирани автоматични въртящи устройства.

За естествено стружкоотвеждане
Главната характерна особеност при тях е заемането от заготовката на странично или обърнато работно положение, което спомага за отвеждането на стружката по гравитационен път. Така се решава сериозен проблем на автоматизираното производство, особено в случаите на суха обработка. Компановките могат да бъдат хоризонтални и вертикални, но се предпочитат вертикалните.

Съпротивителни свойства
Заеманата от едноколонните обработващи центри технологична ниша се определя в значителна степен от съпоставянето на съпротивителните им свойства с тези на другите компановки- класически портални (с подвижен и неподвижен портал) моноблокови портални, тип „box-in-box”, с U-образно тяло и траверса.

По отношение на статичната стабилност едноколонните отстъпват значително. Това се дължи на повишените стойности на собствените (огъване, усукване) и контактните деформации на колоната в сравнение със значително по-стабилния портал или моноблок, а също така на еластичните завъртания на шпиндела и работната маса.

Сравняването на нивата на топлинната стабилност също не е в полза на едноколонните машини. Колоната се нагрява неравномерно - по-силно от страната на зоната на рязане, поради което топлинните деформации водят до изкривяването й, а оттук и до поява на ъглова грешка в положението оста на инструмента.

Ъгловите грешки са трудни за компенсиране, а по-често компенсирането им е невъзможно, което значително снижава точността на обработката. Порталните машини са термосиметрични и топлинните им деформации са предимно линейни и достъпни за коригиране. За намаляване на изкривяването на колоната се предприемат допълнителни мерки, като екраниране на зоната на рязане, принудително реципрочно загряване на студената част на колоната и др., които допълнително усложняват конструкцията и повишават цената на машината.

Виброустойчивостта също е по-ниска. Колоната има по-малка виброгасяща маса от портала и моноблока. При нея допълнително възникват усукващи по форма вибрации, които при конкурентните изпълнения отсъстват или са по–слаби. Проявяват се и вибрации при ускоряване и забавяне на движението по осите. Това се дължи на конструктивната невъзможност за прилагане на вектора на подавателната сила през центъра на тежестта на подвижния орган, което е достижимо при компановките тип „box-in-box”.

Области на приложение
Едноколонните обработващи центри заемат обширно технологично поле и традиционно биват приемани радушно от заетите в машиностроенето. Богатото разнообразие от компановки, широкият диапазон на техническите им възможности позволява на потребителя да избере тази машина, която отговаря в най-висока степен на производствените му нужди.

В обхвата на възможностите на тези машини влизат преди всичко детайлите от средния типоразмер, но могат да се обработват както миниатюрни, така и свръхтежки и с уникални габарити детайли. Обект на обработка са всички видове корпусни детайли, детайли тип „плоча”, „фланец”, детайли със сложни равнинни контури и обемно-профилни повърхнини като щампи, пресформи и др.

С оглед на съпротивителните свойства, рационална приложна област са практиките с конвенционални режими на рязане. Не се препоръчва прилагане на високоскоростна обработка - област, в която едноколонните обработващи центри не издържат на конкуренцията на машините със специално пригодени за това компановки и които притежават по-добри съпротивителни свойства и благодарение на всичко това - по-висока точност и производителност.

доц. д-р инж. Пламен Угринов

Новият брой 3/2018

брой 3-2018

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top