Избор на вертикален обработващ център

• Вертикалните обработващи центри са отлично решение за бързо, високопроизводително и рентабилно производство на прецизни детайли и изделия
  
  
• Тези системи предлагат все по-широки възможности благодарение на новостите при програмното управление, автоматизацията, софтуера и окомплектовката
  
  
• Огромният избор от варианти с различен капацитет и функционалност на пазара може значително да усложни избора

Независимо дали се касае за приложения в автомобило- или машиностроенето, изработката на щанци, матрици и всякакъв тип инструментална екипировка, авиокосмическия сектор или друга индустрия, вертикалните обработващи центри (VMC) са отлично решение за бързо, високопроизводително и рентабилно производство на прецизни детайли и изделия. Тези системи поначало са проектирани за максимална гъвкавост и ефективност, като в наши дни предлагат все по-разнообразен набор от възможности благодарение на последните новости при цифровото програмно управление, автоматизацията, специализирания софтуер и окомплектовката. Огромният избор от варианти с различен капацитет и функционалност на пазара обаче може значително да усложни избора. Ето защо ръководството на всеки цех или завод, който обмисля инвестиция в подобна машина, е добре да вземе предвид някои ключови съображения при селектирането на оптимално решение.

Специфики и основни характеристики

Каталозите на големите производители на металорежещо и металообработващо оборудване често изобилстват от модели с разнообразни възможности и в различен ценови клас. Освен на разполагаемия бюджет, който винаги е основна отправна точка при стесняване на избора, е препоръчително да се обърне внимание и на основните параметри на вертикалните обработващи центри – мощност, брой инструменти/инструментален магазин, палетна станция и/или система за автоматична смяна на инструмента, размери на работната маса, брой оси и дължина на хода по осите, скорост/обороти и конус на шпиндела, брой шпиндели, задвижване, стабилност на конструкцията, тегло и габарити, стандартна и допълнителна окомплектовка и т. н.

От изключителна важност е да се провери за какви процеси и обработващи операции е проектирана системата (фрезоване, пробиване, нарязване на резби, зенкероване, скосяване, прорязване на канали и т. н.), както и за работа с какви материали е (или не е) подходяща. Добре е да се уточнят и минималните/максималните размери на обработваните детайли, за да не се допускат разминавания с продуктовата програма.

В рамките на етапа на планиране експертите препоръчват да се потърсят отговори на някои съществени въпроси, включително за какви проекти и за серии с какъв обем ще се използва центърът, какви са заложените цели за производителност, с малко или повече на брой различни материали е предвидено да се работи, какви са плановете за бъдещо развитие на капацитета на производственото приложение и продуктовия микс и др.

Наличното пространство в цеха също не е фактор за подценяване, особено за малки и средни предприятия, които не разполагат с големи производствени площи и огромни халета, в които да позиционират машините си. Пазарното разнообразие често позволява желаните параметри да бъдат покрити и посредством система с по-компактни размери.

Не на последно място е важно да се провери и необходимото ниво на точност и качество на продукцията, тъй като немалко високотехнологични производства, например на медицински изделия, авиокосмически компоненти, прецизни прибори и т. н., не биха се задоволили с отчетливи допуски при размерите, каквито често са характерни за по-бюджетните универсални обработващи центри.

Прецизност и стабилност

Водещо съображение при избора на VMC машина е именно необходимата прецизност и повторяемост при качеството на детайлите. За запазването на точността (по отношение на толерансите в размерите) в дългосрочен план от съществено значение са дизайнът и конструкцията на обработващия център. Една по-стабилна (в механичен и топлинен аспект) конфигурация с оптимален дизайн би осигурила по-големи ползи във времето, макар и на по-висока първоначална цена, от базова машина с понижена стабилност, която би наложила трайно по-ниско качество на продукцията. Логично, колкото по-висока точност е необходима и за колкото по голям брой изделия, толкова по-висока е и стойността на подходящото решение.

При C-образните дизайни топлинната стабилност често е предизвикателство, особено при по-мощни двигатели. За да е устойчива системата, тя е необходимо да разполага със солидна база и добро разпределение на тежестта в рамките на конструкцията. Така ще се елиминират рисковете от по-големи допуски вследствие на нежелани вибрации.

Прецизността и повторяемостта на обработка са параметри, които се залагат във вертикалните центри още във фазата на проектиране. По-висока точност може да се постигне например посредством специален дизайн и разположение на лагерите. Дори да е оборудвана с най-усъвършенстваните лазерни и линейни сензори за последващо калибриране по време на експлоатационния си живот, една недобре проектирана машина никога не би могла да постигне и/или поддържа висока точност за дълги периоди от време.

Що се отнася до топлинната стабилност, лагерните съединения и шпинделите, работните маси и направляващите генерират топлина, която е необходимо да бъде надеждно управлявана и отвеждана извън системата. В допълнение, движенията на обработващия център създават триене, което също предизвиква загряване. Тези топлинни ефекти могат значително да повлияят размерите и позицията на детайлите, като влошат точността при обработка и станат причина за деформации. Този проблем е особено осезаем при 5-осната обработка, където системата за управление може да се затрудни при коректното изчисляване на точната позиция на точките на въртене на осите във всеки един момент от времето вследствие на топлинна нестабилност.

За да се справят с това ключово предизвикателство, производителите на вертикални обработващи центри от последно поколение разработват иновативни стратегии за охлаждане, включително локални/зонови охлаждащи модули за лагерните съединения и шпинделите. Използват се и прецизни температурни сензори, които измерват ефектите на загряване и подават сигнали към системата за управление при рискове от грешки и отклонения в размерите. Вместо с конвенционални енкодери за обратна връзка, по-новите машини в сегмента разполагат с прецизни скали на всяка ос, които проследяват топлинната устойчивост и евентуалните температурни разширения, които биха могли да влошат повторяемостта.

Скорост, мощност, управление

Важен момент при избора на вертикален обработващ център е селектирането на модел с оптимален диапазон при скоростите на шпиндела (шпинделите) и комбинация от подходяща мощност и въртящ момент. Тенденция през последните години е използването на конфигурации с по-малки инструменти със специални покрития, по-плитки дълбочини на рязане и по-високи темпове на отнемане на материал. По-малките инструменти обаче изискват по-високи скорости на шпиндела и по-интензивна обработка, за да се постигне по-добро качество на финишните повърхности. Популярна стратегия е и високоскоростната обработка (HSM), при която реално са необходими по-малка мощност на шпиндела и по-нисък въртящ момент при по-къси/плитки единични цикли на отнемане на материал.

Инструментите с по-голям диаметър, като челните фрези например, изискват по-бавно движение на шпиндела, като захождат на по-голяма дълбочина в заготовката и отнемат повече метал с едно движение. Такъв режим на работа обаче традиционно налага по-висока здравина и стабилност на конструкцията. С по-големи инструменти обикновено могат да бъдат постигнати и по-голяма мощност и въртящ момент.

Като алтернатива, фрезоването на резби може да бъде извършвано при по-високи скорости (с приблизително същите темпове на отнемане на материал като при конвенционална палцова цилиндрична фреза), но с по-ниски изисквания за въртящ момент.

Съществен аспект при селектирането на най-добрия модел вертикален обработващ център са възможностите за управление и в частност ЦПУ блокът и контролерът. Голяма част от производителите разработват патентовани системи и софтуерни платформи за вграждане само в собствената си гама, които обикновено предлагат редица предимства по-отношение на контрола и оптимизацията. Недостатъци на подобни концепции обикновено са по-високата цена и по-ограничената оперативна съвместимост.

От ключово значение е избраната машина, независимо дали е с по-масов или специално разработен контролер, да предлага лесно и интуитивно програмиране – за максимално гъвкаво и ефективно производство. Високата степен на автоматизация и улесненото конфигуриране са решения, чрез които донякъде могат да се притъпят ефектите на липсата на квалифицирани кадри в металообработката. Блоковото програмиране чрез предварително дефинирани функционални модули например е важно условие за опростяване на работата на операторите, което позволява и служители без предишен или задълбочен опит да се справят с настройката и надзора на системата. Добре е контролният блок на машината да разполага с по-голяма вътрешна памет за съхранение на програми и данни от обработката.

Спомагателни системи и окомплектовка

Вертикалните обработващи центри се предлагат в различни конструкции и размери, като още по-голямо е разнообразието при стандартната и допълнителната окомплектовка. С оглед на придържането към разумен бюджет е препоръчително да се избягва добавянето на скъпи и сложни опции към първоначалната конфигурация, ако те няма да бъдат използвани пълноценно или изобщо. Производителите на системи в сегмента често предлагат възможности за детайлно персонализиране на машината, за да отговори най-адекватно на потребностите на конкретното производство.

Различни функции и системи, като Ethernet и USB свързаност, режими на отдалечено управление, автоматичен шнек или лентов транспортьор за стружки, системи за смяна на инструмента със странично фиксиране, високоскоростни шпиндели, линейни скали на осите, сонди за мониторинг на инструменталната екипировка и детайлите, прогнозна поддръжка и др. могат да са критични за дадени приложения и напълно излишни в други. При планове за бъдещо разширяване на продуктовия асортимент или капацитета е добре да се инвестира в модулна конфигурация, която позволява гъвкаво надграждане в бъдеще.

По-висока гъвкавост може да бъде постигната и чрез оборудването на машината с ротационна и индексираща маса. Вертикалните обработващи центри традиционно отнемат материал по три основни оси, а детайлът е фиксиран към работната маса. В редица случаи обаче се налага заготовката да се завърти от друг ъгъл, което изисква свалянето и препозиционирането й ръчно.

С ротационна и индексираща маса по 4-а и 5-а ос детайлът може автоматично да сменя позицията си, за да се обработи цялостно с едно закрепване. Това значително редуцира необходимото време за настройка и загубите от работа на машината на празен ход, като същевременно повишава точността. Популярно решение са компактните програмируеми цангови индексиращи устройства (collet indexer), подходящи за обработка на множество малки детайли с едно захващане и лесно и бързо закрепване. Предлагат се и модифицирани дизайни за многошпинделни конфигурации.

5-осна обработка

Ако искате да обработвате по-сложни детайли и геометрии с една настройка, тогава добавянето на пета ос ще осигури повече възможности и гъвкавост. Двата основни вида 5-осни въртящи се маси са накланящи се (tilting) и опорни (trunnion). Първите имат един ротационен модул, монтиран към плочата на друг, осигуряващ две нови оси на движение. Вторите типично работят с допълнителни оси A и C, въртящи се около Z, като могат да се справят с по-големи работни обеми.

При накланящите се маси допълнителните оси са съответно B (въртяща се около Y) и C (въртяща се около Z). Опорните маси са подходящи за по-тежка и интензивна обработка. В крайна сметка и двата варианта осигуряват прецизна обработка по 4-а и 5-а ос, като държат сигурно заготовката по време на работа.
Машините с две оси могат да осигурят пълно едновременно движение по 4-а и 5-а ос, полудвижение по 4-а или 5-а ос или основно позициониране по 5 оси. Това зависи от машината и вида на управлението. При обмисляне на покупка на накланяща се или опорна маса от различен производител е важно предварително да се провери съвместимостта на устройството с избрания обработващ център.

3-осните конфигурации обикновено са най-популярният избор за стандартни и несложни проекти, тъй като са сравнително достъпни, а възможността за лесно и рентабилно дооборудване с въртяща се маса за обработка по допълнителни оси осигурява необходимата степен на гъвкавост. Така се избягва излишното “презапасяване” с ненужна функционалност и твърде високи работни параметри, които биха коствали огромна инвестиция без реална възвръщаемост.