Струговане на многостени върху машини с ЦПУ

Tрадиционно се смята, че детайлите с напречно сечение “многоъгълник” са нетехнологични за обработка върху стругови машини с ЦПУ и затова се подлагат на фрезова обработка, при което са възможни два варианта.

Първият се прилага в случая, когато се използва стругов център - закрепената в струговия шпиндел заготовка извършва делителното движение, главното движение при рязането се осъществява със задвижван фрезов инструмент, разположен в револверната глава.

При втория вариант детайлът се насочва към фрезова машина с техническа възможност за делително движение - въртяща маса или делителен апарат.
Недостатък на тези варианти е ниската производителност, която се дължи на загубата на време за делително движение и обработването на стените последователно една след друга; тази загуба нараства с увеличаване на броя на стените. Към отрицателните последствия трябва да се добави повишаването на себестойността на производството поради сравнително скъпия фрезов инструмент.

Споменатите негативи се отстраняват чрез едно известно от десетилетия технологично решение - за обработване на многостени чрез струговане вместо фрезоване. По различни причини то не се прилага достатъчно широко у нас, което намалява ефективността на производството. При него делителното и главното движение се извършват едновременно, което е основна предпоставка за редуциране на машинното време и повишаване на производителността на процеса.

Необходимо условие за струговането на многостени е струговата машина с ЦПУ да има конструктивна възможност за установяване върху нея на инструментална глава с един или няколко стругови инструмента, подобна на револверната, която да извършва въртене около ос, успоредна на оста на струговия шпиндел.

Външно машината и самата обработка не се различават съществено от традиционния струг - заготовката се установява в шпиндела, инструменталната глава се врязва радиално на необходимата дълбочина на рязане, след което се включва подавателно движение за разпространяване на процеса на рязане по цялата обработвана повърхнина.

Разликата се състои в това, че инструменталната глава извършва въртене, синхронизирано с ротацията на шпиндела, благодарение на което върху заготовката се образува не гладка цилиндрична, конусна или сложнопрофилна повърхнина, а правилен многостен. В действителност могат да се струговат практически всякакви многостени, имащи в напречното си сечение квадрати, шестоъгълници, осмоъгълници и т. н.

Предимствата на метода са:
• обработката се извършва върху струговата машина с ЦПУ при същата установка, по която са проведени обичайните стругови операции;
• машинното време е многократно по-малко (примерно 3-5 пъти), отколкото при традиционното фрезоване с делителни движения;
• обработената повърхнина е с по-малка грапавост, отколкото при фрезоването й;
• използва се стругов инструмент, който принципно е по-евтин от фрезовия и по-прост като конструкция;
• могат да се обработват детайли с нетрадиционна форма;
• програмирането се улеснява от опционалните софтуерни пакети, които водещите производители на системи за ЦПУ предлагат за струговане на многостени.

Принцип на струговането на многостени
На фиг. 1 е илюстриран принципът на образуването чрез струговане на една стена по метода на следата посредством синхронизирането на две ротации и добавянето към тях на подавателно движение.

Главното движение, благодарение на което се получава необходимата фигура на напречното сечение на многостена, се състои от две синхронизирани с голяма точност ротации. Едната ротация, с честота n1, се изпълнява от разположената в шпиндела заготовка. Другата ротация, с честота n2, има същата посока на въртене и се изпълнява от инструменталната глава, в която е разположен стругарският нож. На фигурата са показани три положения на взаимното им движение.

В положение 1 на инструмента започва образуване на правата върху заготовката; положението на правата е обозначено с а1. Необходимо е да се подчертае, че тази права през всички фази на движението е перпендикулярна на линията, свързваща върха на инструмента с центъра на ротация на инструменталната глава.

В положение 2 и 3 със завъртането на инструменталната глава се завърта и образуващата се права, заемайки положения съответно а2 и а3. Така върху заготовката се образува правата а.

Ако към тези синхронизирани ротации се добави подавателно движение, върху заготовката се образува стена. Траекторията на подавателното движение определя формата на образуващата на многостена. При праволинейна траектория на подавателното движение, успоредна на оста на шпиндела, се получава права призма с основа съответния многоъгълник. Ако праволинейната траектория е под ъгъл спрямо оста на шпиндела, се образува пирамида. И в двата случая стените на обемната фигура по форма са равнини.

При подавателно движение по криволинейна траектория, стените на получената обемна фигура не са равнини, а повърхнини, чиято образуваща съвпада с криволинейната траектория. С подходяща интерполация могат да се обработват многостени с криволинейни образуващи, които трудно биха могли да се получат по друг начин.

За получаване на различен брой страни в напречното сечение в инструменталната глава се монтират няколко ножа, разположени в нея през равни ъглови интервали. Конструкцията може да се опрости, ако вместо ножове се използват само твърдосплавни пластини, установени непосредствено в гнездата на инструменталната глава.

Броят на обработваните страни на многоъгълника се определя от различното съотношение между честотите на въртене n1 и n2 и от броя на ножовете в инструменталната глава.

На фиг. 2 е показано обработването на квадрат със страни a, b, c и d с инструментална глава с два ножа, разположени през 1800. Вижда се, че всеки от ножовете обработва двете противоположни страни на квадрата - инструмент 1 - страните a и c, инструмент 2 - страните b и d. Съотношението на честотите на въртене на заготовката и инструменталната глава е 1:2.

Фактически обаче, страната на многоъгълника не е идеална права линия. На фиг. 3 е показано, че траекторията на движение на формообразуващата точка на инструмента е елипса и поради това страната на многоъгълника също е елипса. Ако се зададе праволинейно подавателно движение, получената стена не е равнина, а елиптична повърхнина.

Но за практически цели и предвид големите технико-икономически предимства на този технологичен процес, получаващата се разлика в геометричната форма се смята за пренебрежимо малка. Тази разлика намалява заедно с увеличаването на радиуса на инструменталната глава, т. е. на разстоянието от центъра на ротация на инструменталната глава до върха на инструмента. В общия случай страните на многоъгълника могат да се получат както изпъкнали, така и вдлъбнати.

Целта е да се подберат такива технологични схеми и режими на работа, които да дават приемливи за практиката резултати.
Важна предпоставка за това е използването на ефективен софтуерен продукт за програмиране на обработка и настройване на технологичната система.

Подходящо за цехови условия е диалоговото (графично) програмиране. То позволява с помощта на графични подсказки да се състави управляваща програма за получаване на дадения в конструкторското задание многостен както като форма на напречното сечение, така и като образуваща на обемната фигура. Генерираната програма може да се тества чрез симулиране непосредствено върху дисплея на системата за ЦПУ.

Изисквания към машините за струговане на многостени
Предимства на струговането пред фрезоването на многостени бяха забелязани от производителите на стругови машини с ЦПУ и през последните години се наблюдава все по-широкото навлизане на тази опция в конструктивното изпълнение на различни стругови машини с ЦПУ и стругови центри.

За реализирането на това специфично струговане машината трябва да има възможност за точно синхронизиране и пропорция между честотите на въртене на шпиндела и инструменталната глава. Прилагат се два подхода - синхронизиране чрез твърда кинематична връзка и електронна синхронизация.

При твърдата кинематична връзка регулирането на режимите на работа е затруднено, поради което приложението й е ефективно в масовото производство.
Електронната синхронизация се съгласува добре с принципа на ЦПУ и се базира на точното измерване на ъглите на завъртане на шпиндела и инструменталната глава с помощта на ротационни енкодери. Позволява удобно и плавно настройване на режимите на работа.

Друго изискване е системата за ЦПУ да поддържа програмно възможността за струговане на многостени. Тази опция днес все по-често се предоставя като част от базовия софтуерен пакет на системата за управление.

Машини с ЦПУ, извършващи струговане на многоъгълници
Стругови машини с ЦПУ с твърда кинематична връзка - твърдата кинематична връзка между задвижването на струговия шпиндел и инструменталната глава се осъществява чрез телескопичен карданен вал (фиг. 4).

Стругови машини с ЦПУ с електронна синхронизация
На фиг. 5 е показана стругова машина с ЦПУ със собствено независимо задвижване на инструменталната глава. Върху напречния супорт са разположени едновременно инструменталната и револверната глава. Инструменталната глава има собствено независимо задвижване. 
На фиг. 5а е показана работата на револверната глава за извършване на традиционните стругови обработки, а на фиг. 5б - използване на инструменталната глава за струговане на многостен.

Стругова машина с ЦПУ с инструментална глава, имаща функции и на револверна глава (фиг. 6). Инструменталната и револверната глава конструктивно са интегрирани.

На фиг.6а е показано обработването на стругови повърхнини, а на фиг.6б - активиране на функцията за струговане на многостени.

Стругов център с инструментална глава, задвижвана като въртящ се инструмент в револверната глава (фиг. 7). Тук инструменталната глава се разполага в гнездо на револверната глава, предназначено за задвижван инструмент.

Надлъжно-профилни стругови машини с ЦПУ (Swiss type) (фиг. 8). Инструменталната глава се задвижва от гнездо-шпиндел, разположено в инструменталния блок на машината.

Многошпинделна стругова машина с ЦПУ (Screw machine) (фиг. 9). Електронната синхронизация с въртенето на инструменталната глава е развита за всеки от шпинделите.

Струговане върху челни повърхнини
На базата на същия принцип, освен по цилиндричната част, формообразуване може да се извършва и върху челото на заготовката, така че в резултат да се получат детайли тип “челен зъбен съединител”. За целта ножовете в инструменталната глава трябва да са разположени не радиално, а аксиално, както е показано на фиг. 10. В този случай се предпочита заготовката да е тръба.

Струговане на произволни по форма ососиметрични многостени
При криволинейна траектория на подавателното движение могат да се струговат практически произволни по форма ососиметрични многостени. За целта струговата машина с ЦПУ трябва да има възможност за извършване на подавателно движение по сложна траектория. Подходящи за случая са различните полиномиални и сплайнови интерполации, като от последните следва да се посочат кубичните сплайни, Акима-сплайните, някои В-сплайни, NURBS.

Предимствата на обработването на многостени чрез струговане, вместо последователното фрезоване на стените, се състоят не само в повишаване на производителността, качеството на обработените повърхнини, използването на стругов инструмент вместо по-скъпия фрезов. Те се проявяват и в аспекта на разширяването на технологичните възможности на оборудването и повишаването по този начин на конкурентоспособността му.

Целта на статията е да покаже на заетите в машиностроенето възможностите на метода, като с това им подскаже, че при покупка на стругова машина с ЦПУ те биха могли да включат в поръчката и опцията за струговане на многостени.

доц. д-р инж. Пламен Угринов