Как да изберем между вертикален и хоризонтален обработващ център?

• Основната разлика между двата типа системи е ориентацията на шпиндела
  
  
• Съществени различия се наблюдават и по отношение на неговата утилизация
  
  
• Финалното решение следва да се основава на детайлен анализ на приложенията, търсените резултати и конкретните особености на машините

Един от основните въпроси, който вълнува цеховете и предприятията за металообработка при планиране на инвестиция в обработващ център с ЦПУ, е дали да се спрат на вертикална или хоризонтална конфигурация. Изборът между двата варианта зависи от множество фактори – не само от геометриите на обработваните детайли и необходимите по тип и брой операции, но и от характера и обема на производствените серии, времето за настройка, броя на закрепванията, възможностите за автоматизация и общите разходи за единица продукция. И вертикалните, и хоризонталните машини имат своите предимства и ограничения, затова финалното решение следва да се основава на детайлен анализ на приложенията, търсените резултати и конкретните особености на двата типа системи. Сред водещите съображения, които оказват влияние върху избора на конфигурация, са конструкцията на машината и разположението на шпиндела.

Конструкция и разположение на шпиндела

Основната разлика между двата типа обработващи центри е именно ориентацията на шпиндела. При вертикалните (VMC) неговата ос е разположена вертикално спрямо работната маса, докато при хоризонталните (HMC) тя е хоризонтална.

Вертикалната конфигурация осигурява добър достъп до обработваните повърхности и улеснява наблюдението на процеса. Тя е подходяща за плоски детайли, заготовки с големи обработваеми пoвърхнини и операции, при които инструментът работи основно от едната страна. Настройването и позиционирането на детайлите обикновено са сравнително лесни, което прави VMC центрите практичен избор за единични изделия, малки серии и производства с разнообразна номенклатура.

При хоризонталните машини шпинделът е ориентиран успоредно на работната маса. Тази конструкция е подходяща за призматични детайли, които изискват обработка на няколко страни от различни ъгли. В комбинация с въртяща се маса хоризонталната конфигурация позволява достъп до различни повърхности, без необходимост детайлът да се демонтира и закрепва отново след всяка операция.

Хоризонталните машини често се оборудват с палетни системи и приспособления за едновременно закрепване на няколко заготовки. Така зареждането и разтоварването могат да се извършват паралелно с обработката, което ограничава работата на празен ход на шпиндела.

Геометрия на детайлите

При избора на обработващ център е препоръчително да се вземат предвид не само размерите на заготовките, но и броят на страните, които трябва да бъдат обработени, достъпът до отделните повърхнини и нуждата от многократно препозициониране и захващане.

Вертикалният обработващ център е добро решение, когато основните операции се изпълняват върху една повърхнина или когато детайлът може да бъде обработен с малък брой повторни фиксирания. Това се отнася например за плоски компоненти, плочи и изделия с относително проста геометрия. При призматични детайли с множество обработваеми стени хоризонталната конфигурация може да осигури съществено предимство. Благодарение на въртящата се маса и многопозиционните приспособления за закрепване детайлът може да бъде обработван от няколко различни ъгъла в рамките на един цикъл. Това значително съкращава времето между отделните операции.

Разликата се вижда особено ясно при шестстранната обработка на детайли. При вертикалния обработващ център може да се наложи операторът да премести заготовката шест-седем или повече пъти между машината и различни приспособления, за да осигури достъп до всички необходими повърхнини. При една хоризонтална машина същата задача може да бъде изпълнена с не повече от три намеси на оператора, в зависимост от конструкцията на детайла, закрепващите системи и последователността на операциите.

По-малкият брой фиксирания намалява ръчния труд и риска от грешки при позиционирането. Ограничават се и възможностите за натрупване на отклонения при повторното закрепване, което подпомага поддържането на геометричната точност и качеството на готовия детайл.

Производителност и утилизация на шпиндела

Сред основните фактори при сравняването на VMC и HMC конфигурациите е времето, през което шпинделът действително извършва работа или т. нар. утилизация.

Производителността на машината зависи и от други фактори освен скоростта на подаване или продължителността на отделния цикъл. От значение са и времената за зареждане, разтоварване, позициониране, смяна на приспособленията и подготовка за следващата операция.

При обработка на детайл от няколко страни с вертикален център повторното фиксиране обикновено изисква спиране на обработката и намеса на оператор.

Хоризонталната конфигурация елиминира част от тези действия чрез завъртане на масата или индексиране на приспособлението в рамките на текущата програма. Така се съкращават непроизводителните интервали и се увеличава делът на времето за реално рязане.

Специализирани проучвания, в които са взели участие специалисти от индустрията и академични експерти от Университета на Мичиган, посочват средни стойности на утилизация на шпиндела от 85% при хоризонталните и 25% при вертикалните обработващи центри. Експерти изчисляват, че при осемчасова смяна това съответства на близо 7 часа рязане в първия случай и на 2 часа във втория. В рамките на петдневна работна седмица разликата достига 24 часа, а при 52 седмици работа би се равнявала на приблизително 1248 часа работа повече годишно в полза на хоризонталните конфигурации.

Тези стойности, разбира се, са базирани на конкретни тестови сценарии, като не бива на тяхна основа да се правят универсални изводи относно характеристиките на двата типа машини. Реалното използване на шпиндела варира в широки граници според обработваните детайли, големината на сериите, организацията на производството, степента на автоматизация и времената за настройка. Въпреки това сравнението показва защо броят на закрепванията и начинът на обслужване на машината могат да имат толкова голямо влияние върху общата производителност в дългосрочен план.

Стружкоотвеждане, инструменти и настройка

Отвеждането на стружките е друг фактор, който влияе върху стабилността на процеса при металообработващите центри. При вертикалните системи стружките могат да се задържат върху обработваната повърхност или в работната зона – според геометрията на детайла, вида на инструмента и режима на рязане. Това може да наложи допълнително прекъсване на цикъла за принудително промиване и почистване на работната зона.

При хоризонталните машини гравитацията подпомага отвеждането на стружките от зоната на рязане. Това е полезно при обработка на детайли с дълбоки кухини и при операции, при които се образува голямо количество стружки. По-ефективното им отстраняване може да ограничи повторното им попадане между инструмента и детайла, както и риска от повреди на обработваната повърхност.

Капацитетът на инструменталния магазин и възможностите за закрепване на заготовките също са ключови съображения при производства с големи асортименти или чести смени на обработваните изделия. Хоризонталните обработващи центри често се конфигурират с големи инструментални магазини, палетни системи и многолицеви (многопозиционни) приспособления. Това позволява да се подготвят повече операции предварително и да се обработват няколко детайла в рамките на един цикъл.

Многолицевите системи включително т. нар. палетни кули, осигуряват възможност за закрепване на детайли върху няколко страни на една конструкция. След индексиране машината получава достъп до различни повърхнини, без операторът да демонтира всяка заготовка поотделно. Така едно зареждане може да осигури обработка на множество детайли и да намали времето за обслужване. При вертикалните центри също могат да се използват многопозиционни приспособления и автоматизирани системи за смяна на палети. В много случаи те се оказват достатъчни за необходимия обем и сложност на производството.

При кратки серии предимството на хоризонталния център реално се корени в това колко време отнема подготовката на инструменталната и спомагателната конфигурация и дали тя може да се използва за различни детайли. Ако всяко изделие изисква специализирано приспособление и продължителна пренастройка, потенциалът за повишаване на производителността може да се окаже ограничен.

Автоматизация и организация на работата

Възможностите за автоматизация са от сериозна значимост при продължителна обработка на големи производствени серии и при стремеж към работа извън стандартната смяна. Хоризонталните обработващи центри все по-често се интегрират със системи за автоматична смяна на палетите, палетни магазини и системи за цялостно управление на потока от заготовки.

Докато машината обработва детайл върху единия палет, операторът или автоматизираната система могат да подготвят следващия. При подходяща конфигурация това намалява престоя между циклите и позволява по-продължителна работа без пряка операторска намеса.

Вертикалните центри дават възможност за ефективно автоматизиране посредством роботизирани манипулатори за обслужване, палетни системи и решения за автоматично подаване на заготовки. Изборът се свежда до оценка на комбинацията от типа на детайлите, необходимата производителност, честотата на смяна на изделията и сложността на производствения процес. Често обаче е недостатъчно да се сравняват само възможностите на машината – по-адекватно би било оценяването на цялата работна клетка с всичките й хардуерни и софтуерни елементи, включително инструменталните и закрепващите системи, софтуерната платформа за управление и организацията на материалния поток.

В производствени помещения с ограничена площ съществен критерий при избора между хоризонтална или вертикална машина е наличното пространство. На теория, в зависимост от приложенията и конфигурацията, един хоризонтален обработващ център би могъл да поеме работата на няколко вертикални машини. Подобна замяна би била възможна, когато хоризонталният център обработва същия набор от детайли с по-малко закрепвания и по-висока утилизация на шпиндела. Намаляването на броя на машините може да освободи производствена площ, да ограничи необходимостта от отделни приспособления и да улесни планирането на операциите.

При такава оценка, разбира се, трябва да се отчетат не само площта на самата машина, но и пространството за обслужване, зареждане на палети, складиране на заготовки и готови детайли, както и достъпът за техническа поддръжка. Автоматизираната палетна система може да увеличи заетата площ на една машина, но едновременно с това да намали общата площ, необходима за изпълнение на операциите за производство на определен обем изделия.

Първоначална инвестиция и общи разходи за притежание

Вертикалните обработващи центри обикновено имат по-ниска цена за придобиване от хоризонталните машини при сравним клас и възможности. Когато детайлите изискват малко на брой операции и не се налага често повторно закрепване, една вертикална конфигурация може да осигури необходимата производителност при по-ниска първоначална инвестиция.

При обработка на детайли с множество страни обаче цената на машината е само част от общите разходи за притежание. Повторните закрепвания, необходимостта от допълнителни приспособления, времето за настройка и престоят на шпиндела могат кумулативно да увеличат себестойността на единица изделие. Хоризонталният център обикновено е способен да компенсира по-високата си покупна цена чрез по-малко ръчни операции, по-добро оползотворяване на времето за обработка и по-висок производствен капацитет.

По-малкото на брой премествания на детайла ограничават и риска от грешки, които водят до брак или преработка. Намаляването на спомагателните приспособления и операциите по фиксиране, от друга страна, може да съкрати процеса по подготовка на производството, а по-високата производителност да позволи изпълнение на повече поръчки със същите ресурси.

От това не следва задължително, че хоризонталните центри са по-икономичен избор във всички случаи. Ако производството е насочено към единични плоски детайли, обемът е малък или предимствата на многолицевата обработка не могат да бъдат превърнати в действителна стойност, допълнителната инвестиция може и да не се оправдае.

В крайна сметка най-подходящата машина за един цех е тази, която осигурява необходимата точност и качество при най-добро съотношение между производителност и общи разходи за конкретното производство. По-надеждната оценка се основава на реални детайли, планирана последователност на операциите и анализ на времето, необходимо за целия производствен цикъл.