Многоосна металообработка

МашиниСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 1, 2015

Многоосна металообработкаМногоосна металообработка

Тенденции в развитието на технологиите

Kонвенционалната обработка на детайли със сложни обемно-профилни повърхнини се извършва върху обработващи центри чрез ангажиране в подавателните движения на 3 линейни оси. Най-често използваната технология е 2,5-осното фрезоване, при което две от осите (X и Y) участват в интерполационното движение, а третата (ос Z) е позиционираща.

По този начин се обработва равнинен вариант на обемната повърхнина - практически произволен по сложност контур. За обработка на обемните повърхнини се прилага 3-осното фрезоване. При него в интерполацията участват и трите оси. Рязането се осъществява с монолитни твърдосплавни опашкови фрези, чиято ос остава винаги перпендикулярна на равнината XY.

Главният недостатък на конвенционалната обработка на сложни обемно-профилни детайли се изразява в невъзможността за обработване на всички повърхнини, тъй като някои от тях не могат да бъдат достигнати от инструмента. С особена сила това се отнася за повърхнини с обратен наклон. Решаването на проблема води след себе си поредица от принудителни мерки.

Едната от тях е многократното сменяне на установката на детайла, представляващо нерядко повече от десет последователни пребазирания и затягания. Другата е ръчното дообработване на проблемните участъци. Третата нежелана мярка е използването на инструмент с голяма дължина, чиято работа поражда вибрации, влошаващи качеството на обработваната повърхнина.

Като следствие, времето за производство се покачва многократно, точността на обработката намалява, производственият брак нараства. В списъка на лошите производствени резултати се добавя повишеният разход на работещия в условията на вибрации инструмент. Всичко това поставя под съмнение икономическата рентабилност на производството.

Същевременно необходимостта от обработката именно на детайли със сложни обемно-профилни повърхнини през последните години нарасна. Различни важни сектори на индустрията - енергетиката, авиацията и космическата техника, автомобилостроенето, корабостроенето, уредостроенето и други, поставят пред машиностроенето задачата за бързо, евтино и точно производство на турбинни колела, лопатки за турбини, корабни винтове, елементи от тялото и оборудването на летателни и космически апарати, корпусни детайли на автомобилни двигатели, матрици и поансони, леярски форми и т.н. Отговорът на новото предизвикателство е

многоосната обработка
За разлика от конвенционалната, при многоосната обработка към традиционните три линейни оси се добавят определен брой ротационни и линейни оси, които работят в общ синхрон. Чрез ротационните оси се осигурява такова завъртане на заготовката или инструмента, което прави възможен достъпа до всички обработвани повърхнини. Чрез допълнителните линейни оси се постига едновременно обработване с няколко инструмента.

Цялостната обработка се осъществява при една установка, без да е необходимо пребазиране и повторно закрепване. В повечето случаи се елиминира и допълнителната ръчна обработка. Работи се с къс инструмент с достатъчна собствена коравина и трайност, който реже без вибрации с висока скорост и точност.

По този начин се постигат предимствата на многоосната обработка:
• цялостна обработка при една установка върху една машина на детайли със сложни обемно-профилни повърхнини;
• повишаване на производителността чрез съкращаване на времето за обработване;
• повишаване на точността благодарение на безвибрационната работа и силно намалените собствени деформации на инструмента;
• намаляване на производствените разходи поради запазване на номиналния експлоатационен ресурс на инструмента;
• по-добро обслужване на клиента, тъй като поръчките се изпълняват по-бързо при по-добро качество. Разширява се разнообразието на геометрията на обработваните повърхнини, което открива достъп до повече пазари;
• висока рентабилност на производствената дейност.

За реализацията на тези предимства не е достатъчно производителят да разполага просто с многоосна машина. От решаващо значение за успеха са всички други компоненти на единната система за подготовка и провеждане на технологичния процес - САМ-системата за генериране на управляващата програма, системата за ЦПУ, организацията на производството, технологичната екипировка, обслужващият персонал.

Машини за многоосна обработка
Обработващите центри са представители на най-често използвания вид многоосна обработка - 5-осната. При тях към трите линейни оси се добавят две ротационни. Възлите, изпълняващи движенията по ротационните оси, са въртящи и наклоняващи.

Въртящите имат произволен ъгъл на завъртане в двете посоки, докато наклоняващите са с ограничение на завъртането, което може да е симетрично (например ±130 градуса) или несиметрично (например +30, -115 градуса) спрямо неутралното положение. Компановките на обработващите центри са предимно вертикални, тъй като заемат по-малка площ, удобни са за отвеждане на стружката, имат малка чувствителност на стабилността към локализацията на обработката в работното пространство и др.

Машините се делят на такива за непрекъсната 5-осна обработка (наричани накратко машини за 5-осна обработка) и за 3+2-осна обработка (наричани накратко машини за 3+2-осна обработка). Машините за 5-осна обработка реализират непрекъсната интерполация по всички оси.

При машините за 3+2-осна обработка двете ротационни оси се използват като индексиращи - заготовката предварително се завърта в дадена позиция и в това фиксирано положение се извършва конвенционална 3-осна обработка с използване на трите линейни оси. Ако машините за 5-осна обработка са универсалното решение за всички случаи, машините за 3+2-осна обработка са един бюджетен вариант с по-ниска цена, който в същото време обхваща значителен брой от предлаганите от пазара технологични задачи.

За осигуряване на висока статична и топлинна стабилност компановките на машините са термосиметрични, портален тип или с къса стабилна колона. Разнообразието може да се сведе до следните четири вида компановки (вж. фигура 1):

Въртяща и наклоняваща маса тип „люлка” за завъртане на детайла (фиг. 1а). Шпинделът получава линейни движения. Компановката е подходяща за машини от долния до средния сегмент на средния типоразмер и за заготовки със сравнително неголеми размери и маса.

Конзолна наклоняваща и въртяща маса за завъртане на детайла (фиг. 1б). Компановката е производна на горната, осигурява по-голяма компактност на конструкцията. В някои изпълнения оста на ротация на наклоняващата конзолна маса е завъртяна в хоризонталната равнина на 45 градуса, което повишава точността на ротационните оси. В повечето случаи шпинделът изпълнява и трите линейни движения. В отделни решения конзолният край се свързва с подходяща лагерна опора, което приближава компановката до тип „люлка” и повишава стабилността и носещата способност.

Въртяща маса за детайла и наклоняваща шпинделна глава (фиг. 1в). Тук ротационните оси са разделени. Въртящата маса има по-голяма площ и носеща способност, поради което е подходяща за машини до горния сегмент на средния типоразмер. Използва се за детайли със сравнително големи размери и тегло.

Въртяща и наклоняваща шпинделна глава (фиг. 1г). Компановката е предназначена за детайли с голям габарит и тегло. При екстремни стойности на размерите и теглото се предпочита детайлът да остане неподвижен, а всички движения да се изпълняват от шпиндела. Следва да се отбележи, че фактическите размери на работното пространство се ограничават от габаритите на шпинделната глава и намиращия се в нея режещ инструмент.

Спецификата на обработваните у нас детайли предопределя интереса на работещите в машиностроителния сектор подчертано към първите две компановки - с въртяща и наклоняваща маса тип „люлка” и конзолна наклоняваща и въртяща маса. Получаваните резултати са много добри както по показателите за точност и качество на обработваните повърхнини, така и по отношение на производителността и рентабилността на производството.

Относителният дял на новозакупените машини у нас за 5-осна обработка непрекъснато нараства и тази тенденция е във възход през последните няколко години.
Трайността на инструмента и експлоатационният ресурс на машината, като компоненти на рентабилността, се определят във висока степен от виброустойчивостта на обработващия център.

За целта носещата система се конструира така, че масовият център да е възможно най-ниско, подвижните органи - с малка маса, неподвижните детайли - с възможно най-голяма маса и изготвени от вибропоглъщащ материал. Обикновено се използва високояк сферографитен или вермикулярен чугун, а като по-ефективно, но по-скъпо решение, е полимербетонът.

Шпинделният възел има основно три изпълнения - с ремъчна предавка, директно задвижване и мотор-шпиндел. Междинната предавателна кутия утежнява конструкцията и намалява динамиката на шпиндела, поради което практически не се използва. Главният двигател обикновено е асинхронен.

От най-висок ценови клас са мотор-шпинделите - сложна мехатронна система с множество сензори за контрол в различни точки на температурата, вибрациите, деформациите и др. В тях се вграждат синхронни двигатели с постоянни магнити в статора, предпочитат се за високоскоростна обработка и осигуряват честоти на въртене до 60 000 оборота в минута, двузоново регулиране, мощност до 45-75 киловата, бързи процеси на ускоряване, спиране и реверс. Лагерите са основно търкалящи хибридни с керамични сачми, но в специални случаи се използват хидростатични, аеростатични и магнитнодинамични.

Подавателните преводи по осите са бързодействащи цифрови сервозадвижвания с асинхронен или синхронен роторен двигател, директно куплиран към сачмено-винтовата двойка (за линейните оси) или червячната предавка (за ротационните оси). В някои по-скъпи изпълнения се предпочитат директни задвижвания с линейни двигатели или с високомоментни двигатели (за ротационните оси).

Директно задвижваните въртящи маси разширяват технологичните възможности и позволяват струговане на закрепените върху тях детайли. Сервозадвижванията осигуряват линейни скорости до 90 метра в минута и ускорения над 2g.

Направляващите са релсови търкалящи (сачмени или ролкови). Имат висока стабилност и носеща способност, скорости до 180 метра в минута. Ресурсът им е не по-малък от 10 000 часа. Среща се и конвенционалното изпълнение с пластмасови направляващи - призматични шини от закалена стомана и залепени или шприцвани контраповърхнини от специална пластмаса.

За повишаване на демпферирането се предпочитат релсовите хидростатични направляващи. При по-тежки машини и при особено високи изисквания към плавността на движението се прилагат призматични хидростатични направляващи. Аеростатичните направляващи са характерни за машините от малкия типоразмер с особено високи изисквания към точността, плавността и високата скорост на движението.

Многоосни стругови центри
Многоосните стругови центри са стругови центри с главен и съосен с него контрашпиндел. Основният обем от обработката се извършва в главния шпиндел, следва автоматично прехвърляне и захващане на детайла в контрашпиндела, където се дообработват останалите повърхнини.

Непрекъснатата работа до цялостна обработка на детайла се осъществява с помощта на две револверни глави, разполагащи със стационарни стругови инструменти и гнезда с въртящ се инструмент за фрезово-пробивна обработка. Горната револверна глава (разположена над линията на центрите) се движи по трите линейни оси X1, Y1 и Z1, а долната (разположена под линията на центрите) - по две - X2 и Z2.

Главният шпиндел и контрашпинделът имат по една ротационна ос, съответно C1 и C2. Така броят на осите, участващи в обработката, става седем. В зависимост от спецификата на обработваните повърхнини, двете револверни глави могат да работят едновременно върху заготовката в главния шпиндел, а също така една от двете да извършва дообработката в контрашпиндела.

Тук важна задача на САМ-системата е да синхронизира работата на двете револверни глави, така че да се избегнат колизии и престои. Съществуват и варианти с три револверни глави, благодарение на които броят на управляваните оси нараства още повече.

Многофункционални машини
Обединяват в себе си функциите на стругов и обработващ център. Компановката е базирана на идеята за стругов център, към която е добавена концепцията на обработващия център, представена чрез пълноценен фрезов шпиндел. Фрезовият шпиндел е разположен над линията на центрите, има три линейни движения по X1, Y1 и Z1 и наклоняваща примерно на ±90 градуса шпинделна глава по ос В.

В него могат да се закрепват както въртящи се фрезово-пробивни инструменти, така и стационарни стругови. Под линията на центрите е движещата се по линейните оси X2 и Z2 конвенционална револверна глава със стругови и въртящи се инструменти. Базирането и закрепването на заготовката може да стане както в главния стругов шпиндел, така и в съосния му контрашпиндел, притежаващи ротационни оси, съответно C1 и C2.

Особено ефективно е обработването на екстремни по своята сложност и технологично разнообразие (струговане, фрезоване, пробиване, нарязване на резба и др.) центрови детайли от ротационно-симетричната група, които се закрепват в двата си края едновременно в главния шпиндел и контрашпиндела.

Многофункционалните машини обикновено са голямогабаритни, масивни, притежават значителна сумарна мощност на задвижванията, изискват специален софтуер за САМ-системите и системите за управление, което ги превръща в едни от най-скъпите металорежещи машини с ЦПУ.

Основното им предимство спрямо многоосните стругови центри е високопроизводителният фрезов шпиндел, притежаващ неколкократно по-висока мощност и въртящ момент в сравнение с фрезово-пробивните шпиндели в револверната глава. Чрез наклоняването на оста на шпиндела се постига най-благоприятното положение на оста на инструмента и се реализира възможността да се обработват точно и производително повърхнини, недостъпни за струговите центри.

САМ-система
Поради голямата си сложност програмирането на многоосната обработка се извършва единствено с CAM-системи. Конструираният в CAD-система детайл, в неговия електронен образ, се импортира в CAM-системата, разположена примерно в лаптопа на технолога-програмист, който избира технологията на обработване от голям брой предложени му от системата различни стратегии за груба, получиста и чиста обработка, прави подбор на инструментите от съществуваща библиотека, назначава режимите на рязане и т.н.

На всеки етап от създаването на програмата той може да контролира качеството й чрез интерактивна симулация на обработката посредством визуализиране на траекторията на всеки инструмент и анимиране на процеса на снемане на прибавката. Извършва се проверка за колизии на инструмента с детайла или затягащите елементи, идентифицират се възможни подрязвания и недоработки.

САМ-системата трябва да даде плавност на траекторията на движение на инструмента, постоянство на натоварването и плавност на врязването му в обработвания материал, недопустимост на грешки в управляващата програма. Добрата САМ-система за 5-осна обработка трябва да е в състояние да реализира с максимална ефективност две стратегии на водене на инструмента.

Първата е свързана с воденето на инструмента по повърхността на детайла, тя се прилага и в конвенционалната обработка. Втората е типична за 5-осната обработка и е насочена към управлението на ориентацията на оста на инструмента - подбиране на най-подходящия ъгъл на наклон на оста на инструмента спрямо обработваната повърхнина.

Особено важен е пълният контрол във всеки един момент върху всички движения и ъгли на наклона. В противен случай се стига до нежелателни резки ускорявания по осите, некачествена обработка на повърхнините, бързо износване на инструмента и машината, колизии.

При многоосната обработка колизиите са труднопредвидими. Затова се вземат мерки за предотвратяването им още на етапа на програмирането. Програмата се верифицира върху твърдотелен актуален модел на машината, приспособленията, инструментодържачите и инструментите, което се състои в директно онагледяване върху монитора на САМ-системата на всички програмирани движения.

Така още преди началото на обработката се идентифицират колизии с елементи от конструкцията на машината и технологичната екипировка, тества се качеството на постпроцесиране и т.н.

Системи за ЦПУ
Предназначените за многоосна обработка системи за ЦПУ се характеризират с висока скорост и точност на управление на интерполацията (висока скорост на обработване на изречение от програмата, наличие на сплайнова и NURBS-интерполация, наноинтерполация, съвършенство на алгоритмите за простите интерполации), голяма изчислителна мощ за едновременно управление на няколко оси, управление на наклонени равнини, трансформиране на координатните системи, 3D-компенсация на дължината и радиуса на инструмента с управление на центъра и точката на контакт на инструмента с обработваната повърхнина, бързо движение по контур и подготвено редуциране на скоростта при рязка промяна на траекторията чрез предварително прочитане на голям брой изречения от програмата.

Системите за ЦПУ трябва да притежават и технологии за изкуствен интелект като откриване на възможни колизии, бързо изключване на машината при фактическа колизия с цел минимизиране на повредите, адаптивно управление и др.

Важен фактор за точността е наличието на система за термостабилизиране на машината, чийто алгоритъм гарантира в определени граници постоянство на точността независимо от промените на температурата.

Използването на по-голям брой управлявани оси, част от които ротационни, затруднява постигането и поддържането на висока геометрична точност през целия експлоатационен срок на машината. Променящите се във времето фактори (топлинно състояние, износване) водят до изменение на показателите на геометричната точност. Системата за ЦПУ трябва да е в състояние да реализира автоматично диагностициране и софтуерно коригиране на геометричните грешки.

Организация на производството, технологична екипировка, обслужващ персонал
Машините за многоосна обработка се отнасят към скъпоструващото технологично оборудване. За постигане на по-бърза възвръщаемост на инвестиционните разходи е необходим стремеж към възможно най-висок коефициент на ангажиране на техниката, което се реализира при трисменната работа. Потребителят на машината трябва да гарантира непрекъснат поток от технологични задачи в течение на целия срок на експлоатация. Непроизводителните престои генерират загуба.

Практика, която не се приветства, е натоварването на многоосните машини с прости обработки, които могат да се решат и от по-нискокласни машини. Освен чрез ниската норма на печалба, негативите се проявяват и в необоснованото изразходване на ресурса на оборудването.

При избора на технологичната екипировка трябва да се предпочитат инструментодържачи с патронници, осигуряващи затягане на инструмента с минимално радиално биене. Най-подходящи в това отношение са патронниците с термозатягане и хидропластово затягане. За избягване на вибрациите инструментът, затегнат в инструментодържача, се подлага на балансиране преди всяко зареждане в магазина, което е задължително при скорости над 18 000 оборота в минута.

Приспособленията за базиране и закрепване на детайлите трябва да са компактни, да не затрудняват обработката на повърхнините и да не създават предпоставки за колизии. Подходящи за целта са базиращо-затегателните елементи тип zero-point. При обработката на голяморазмерен листов материал е препоръчително вакуумното едностранно затягане.
Важен елемент от рентабилната многоосна обработка е подборът на висококачествени заготовки с гарантирани технически параметри в целия обем на материала, без скрити дефекти.

Ефективността на производството не може да се постигне без участието на специално подготвен за многоосната обработка персонал. Квалификацията на специалистите, заети в етапите на многоосната обработка, е най-високата в машиностроенето, което предполага наличието на широкообхватна общотеоретична, специална и фирмено-практическа подготовка. Задължение на потребителя на машината е да осигури непрекъснатост на процеса на повишаването на квалификацията, възпитаване на чувство за отговорност и дисциплина, прилагане на действена система за стимулиране и растеж на място.

доц. д-р инж. Пламен Угринов

ЕКСКЛУЗИВНО

Top