Стругови машини швейцарски тип

МашиниСп. Инженеринг ревю - брой 3/2020 • 04.05.2020

Струговите машини швейцарски тип представляват стругови автомати с подвижна шпинделна кутия, способни да произвеждат малки детайли с високи производствени темпове. Традиционно този тип конфигурации се считат за особено ефективни при обработката на дълги и тънки детайли поради специфичния си дизайн, който позволява на режещия инструмент да извършва механични операции в непосредствена близост до носещата (направляващата) втулка. Когато машината се оборудва с допълнителна екипировка, включително такава за фрезоване и резбонаряване, тя може да изработва рентабилно широка гама от високоточни малки детайли от масовото производство.

Макар в исторически план да са смятани за машини с ограничени, нишови приложения, струговете от швейцарски тип стават все по-популярни в съвременните металообработващи цехове. Модерните модели в сегмента се отличават с кратки времена на производствения цикъл, усъвършенствано управление и висока прецизност. Това ги налага като стандартно решение в множество големи производства, свързани с цялостната изработка на детайли с диаметър под 30 mm.

Наборът от материали, достъпни за обработка посредством стругова машина от швейцарски тип, е широк и варира според приложението. Сред възможностите са: алуминий, месинг, въглеродна стомана, мед, титан, екзотични сплави, Монел, никел, пластмаса, неръждаеми стомани и др.

 

Конструктивни специфики

Швейцарските стругове се различават от традиционните стругови машини по своята конфигурация. При тях задържащият механизъм или цанговият патрон, който държи прътовия материал, не се излага директно на въздействие в зоната на рязане. Това осигурява редица преимущества пред традиционните стругови машини.

Предимствата на швейцарския тип се дължат до голяма степен на направляващата втулка. Предназначението й е да осигури допълнителна стабилност на заготовките от прътов материал, докато детайлът се подлага на стругова или друга обработка. Направляващата втулка трябва да обхваща (но не много плътно) прътовите заготовки. Тя осигурява стабилност при струговане на детайлите, тъй като пред нея се извежда такава дължина на прътовата заготовка, колкото е необходима за конкретната обработка. В резултат, струговите машини от швейцарски тип постигат по-добра точност на детайлите, тъй като обработката се извършва в непосредствена и почти постоянна близост до направляващата втулка. Те са значително по-добре приспособени за поддържане на строги допуски при размерите в сравнение с конвенционалните модели.

Друго предимство на струговете от швейцарски тип е, че са подходящи да обработват детайли с малък диаметър бързо и прецизно. Като алтернативно основно приложение те могат да струговат детайли с голямо съотношение дължина към диаметър. При струговите автомати с подвижна шпинделна кутия, отново поради близостта до водещата втулка, вибрациите на инструменталната екипировка са сведени до минимум.

 

Принцип на работа

При конвенционалните стругове, които работят с неподвижна шпинделна кутия, заготовката се закрепва в цангата или патронника и конзолността на заготовката остава постоянна през цялото време на обработката. В някои случаи свободният край се стабилизира със задно седло. Основният отличаващ белег на машините от швейцарски тип спрямо конвенционалните стругове е това, че шпинделната кутия е подвижна. Това означава, че заготовката преминава през захващащото устройство, разположено в зоната на шпинделната кутия, като се закрепва в него. След това минава през направляваща втулка, монтирана в областта за инструментална обработка. Втулката я стабилизира радиално, докато трае обработката. По време на процеса шпинделната кутия извършва прецизно движение напред-назад по оста Z, като придвижва заготовката заедно със себе си. Струговите инструменти, движени от супорта, осъществяват контакт със заготовката в непосредствена близост до направляващата втулка. Относителните движения на прътовата заготовка и инструментите осигуряват подаването, необходимо за осъществяване на рязането. Държачите на неподвижните инструменти (стругови и резбови ножове) се разполагат в магазини. При много от тези машини се използват резервни станции за инструменти и спомагателни шпиндели, а в някои случаи револверни глави, които могат да носят допълнителни инструменти.

 

Произход на наименованието

Швейцарската автоматика с ЦПУ днес е с високо ниво на технологично развитие, а швейцарски механични машини се използват в практиката повече от век. С увеличаване темповете на индустриализация след 1800 г. нараства търсенето на прецизно произведени взаимозаменяеми детайли. През 1870 г. е патентован цанговият патронник, който позволява използването на прътови заготовки. Малко след това в Швейцария са създадени първите машини с подвижни седла. Те са наречени машини от швейцарски тип, защото се използват главно в часовниковата промишленост.

Около 60-те години на ХХ в. тези машини навлизат и в други индустрии, а през 70-те години излизат на пазара и първите версии с ЦПУ. С развитието на технологиите в машиностроенето в зоната за инструменти започват да се появяват спомагателни шпиндели и револверни глави, които съдържат допълнителни инструменти. Добавят се и инструменти за изпълнение на фрезови и други нестругови операции.

През 80-те години швейцарският тип машини започват да се използват широко за производството на детайли в електронната и полупроводниковата промишленост. В рамките на следващото десетилетие масово се правят подобрения в дизайна на блоковете за управление и се въвеждат серводвигатели, благодарение на които се разработват по-бързи и по-мощни машини, подходящи за производството на детайли за аерокосмически и медицински приложения.

 

Основни особености

Сравнителен анализ на работата на конвенционалните ЦПУ стругове и тези от швейцарски тип с ЦПУ показва, че вторият тип обработка значително се отличава от традиционната практика в няколко основни аспекта. При струговите автомати с подвижна шпинделна кутия движението по оста Z означава движеща се заготовка по посока на инструмента. Тази особеност влияе върху характера на компенсиране при програмирането. На конвенционалните стругове заготовката излиза от обхвата на патронника на определена и постоянна дължина. Челото на детайлите е с нулева позиция спрямо оста Z, а работата по тях изисква "отрицателно" отместване по тази ос.

За разлика от това, при машините от швейцарски тип струговите инструменти остават неподвижни, а заготовката се придвижва към тях. Челото на тези детайли отново е с нулева позиция спрямо оста Z, както при конвенционалните стругове, но обработката на повърхностите извън тези чела изисква “положително” преместване по тази ос. Тази разлика е важно да бъде взета предвид във връзка с компенсирането на оста Z. Пробиването на отвор или струговането по дължина включва отрицателно отместване при конвенционалните стругове, но положително при швейцарските типове.

Редът на обработките, които възникват в един работен цикъл, също се променя при струговете от швейцарски тип. При конвенционалните стругове е стандартно предварително да се извърши изцяло грубото и финишното струговане, а обработването на резби и външни канали да се извърши след това. Това не е така, когато става въпрос за стругове швейцарски тип. При тях дължината на водещата втулка изисква детайлът да бъде сегментиран на секции, в противен случай заготовката може да изпадне от направляващата втулка при възвратното й движение. Обикновено сегментирането означава обработка на детайла на секции с размер около 20 мм, което се приема за стандартно водене в зоната на втулката.

Водещата втулка е известна като ключов елемент на струговите машини от швейцарски тип и оразмеряването й е от важно значение. Използването на направляваща втулка, която е неправилно оразмерена за обработката, може да доведе до различни отклонения и грешки в концентричността. Водещата втулка може да бъде изработена от различни видове материали, включително инженерни леярски чугуни, стомана, твърдосплавни материали и т. н. Потенциалните взаимодействия с материала на обработваната заготовка са друг важен фактор, който е добре да се вземе предвид.

 

Още разлики с традиционните стругове

По-голямата част от машините швейцарски тип използват масло в смазочно-охлаждащите си системи. Така е налице по-ефективно смазване в сравнение със случаите, в които се използва вода. Предимствата на маслото включват елиминиран риск от развитието на бактерии, причиняващи неприятен мирис, както и предотвратяване на оцветяването по ръцете на оператора, причинено от ежедневно излагане на въздействието на охлаждащи флуиди на водна основа. Въпреки това е налице и един отчетлив недостатък в сравнение с водата – маслата за рязане не са толкова ефективни при разсейване на топлината. За механичната обработка от швейцарски тип е характерно бързо нагряване в работната зона. Ето защо оборудването на тези машини със защитни (противопожарни) системи е необходимо, ако е планирано производство при нощни смени без надзор от оператор.

Конвенционалните стругове с ЦПУ обикновено имат 3 или 4 оси, а швейцарските типове – 7 или повече. Количеството работа, която може да се извърши много по-бързо на една машина и в по-малки работни зони, впечатлява много предприятия, които се колебаят дали да инвестират в стругови автомати с подвижно седло. Възможността да бъде изцяло завършен един детайл, който обикновено изисква обработка на няколко машини или посредством няколко операции в един-единствен производствен цикъл, е сред предимствата на машините от швейцарски тип.

Важна особеност на струговете от швейцарски тип е свързана с прецизността на работа. Основна цел на поддържането на детайла с направляваща втулка е да се осигури точност по време на целия процес на обработка. Физическите обекти, към които се прилага сила, естествено се огъват. Когато силите на рязане при конвенционалните стругове предизвикват твърде голямо огъване, точността на рязане в повечето случаи се влошава. Златно правило при тях е, че когато се струговат детайли със съотношение дължина към диаметър, по-голямо от 3:1, е необходимо да се използва задно седло за предотвратяване на прекомерно отклонение. За съотношения, които са по-големи от 6:1, се предвижда поддържане с подвижни или неподвижни люнети. Ако една заготовка е закрепена стабилно в единия край и се приложи натиск в неукрепения й край, тя ще се огъне леко. При натиск със същата сила върху по-дълга заготовка, тя ще се огъне още повече. Огъването вследствие на приложената сила се увеличава пропорционално на дължината на заготовката, повдигната на трета степен, т. е. при двойно по-голяма дължина огъването е осем пъти по-голямо.

Що се отнася до машините от швейцарски тип, при тях водещата втулка поддържа детайла толкова близо до инструментите, че огъването вследствие на режещите сили е равно на нула. Това означава, че е възможно прилагането на по-тежки режими на рязане без риск от компромис с точните размери на обработваните детайли.

 

Предимства

Струговите машини с ЦПУ от швейцарски тип стават по-широко използвани в различни сектори на индустрията поради множеството им предимства и сравнителната им универсалност. Голяма част от световните производители на металообработващи машини включват в портфолиото си стругове с подвижна шпинделна кутия, а пазарното предлагане е изключително разнообразно. Така машиностроителните предприятия разполагат с широки възможности за избор на конфигурация, която отговаря най-добре на производствените им нужди.

Популярни стават т. нар. стругове с фиксирана глава, които по същество са мултифункционални и могат да пробиват и фрезоват преди и след струговане. Предлага се и софтуер за офлайн програмиране, който позволява създаването на програми, специално проектирани за обработващи операции от швейцарски тип. Сред предимствата на тези машини са подобрената производителност и повторяемост на детайлите, както и високото качество на финишните повърхности. В зависимост от размерите на произвежданите детайли, обема на партидите и типа обработка, която цехът извършва, инвестицията в една или няколко машини от швейцарски тип може не само да намали времето на производствените цикли, но и да елиминира нуждата от допълнително оборудване за довършване на детайлите от гамата с по-малки размери.

Разкриват се и опции ресурсът на останалите машини в предприятието да се пренасочи към производството на по-едри изделия.

Както вече споменахме, дългите и тънки детайли са обект на огъване по време на механична обработка. Сред основните предимства, които струговите машини от швейцарски тип осигуряват, е възможността за безпроблемно и надеждно производство на детайли със съотношение дължина към ширина до 20:1. Това е постижимо, тъй като рязането се извършва в рамките на няколко милиметра от водещата втулка, която поддържа прътовата заготовка. Този метод на рязане увеличава живота на инструментите, като същевременно повишава точността и осигурява по-добра стабилност. Така лесно и многосерийно могат да се произвеждат детайли с минимални допуски при размерите.

Швейцарският тип обработка е оптимален и за производства в малки серии, които изискват висока точност и широк набор от вторични операции. Струг от швейцарски тип с ЦПУ позволява струговането, фрезоването и резбоването на сложни детайли.

Машините от този тип могат да се оборудват за обработка по 13 оси. Това добавя значителна стойност по посока увеличаване на производителността, тъй като не се налага прехвърляне на детайлите на други машини за довършителни операции.

 

Високоскоростна обработка

Въпреки че използването на стругови машини от швейцарски тип отдавна вече не е ограничено само до часовникарската индустрия, те все още широко се използват в нея. В медицинския отрасъл тази технология широко се прилага за производството на хирургически винтове и инструменти, както и други прецизни компоненти и изделия по най-строги стандарти. Сред секторите, в които се залага на механична обработка от швейцарски тип, са още: аерокосмическата индустрия, производството на компютри, горивни инсталации, отбранителни системи, както и на комплексни изделия, които изискват високоскоростно пробиване и фрезоване.

Когато малък детайл изисква няколко фрезови или пробивни операции, стандартната обработка включва дълги работни цикли. Това е така, защото шпинделите на необходимите инструменти традиционно не могат да работят с достатъчно високи обороти. А за обработка на желаните площи на повърхнините в такива сценарии се изисква висока скорост на подаване за микроинструментите. За да преодолеят това предизвикателство, много предприятия търсят аксесоари за високоскоростни шпинделни устройства, които могат да бъдат добавени към машините от швейцарски тип. Такива принадлежности позволяват постигане на подходящ баланс по отношение на скорости и подавания.

Високоскоростните шпинделни устройства (ускорителни шпинделни глави) могат да са напълно интегрирани в оборудването и да бъдат захранвани с пневматични въздухопроводи или електричество, както и да се задвижват директно от двигателя на машината. Всеки тип предлаган на пазара високоскоростен блок работи за увеличаване на повърхностните подавания на микроинструментите.

Високоскоростните шпинделни устройства с вграден механичен редуктор също са добър вариант. Те се отличават с опростена инсталация и настройка, и доставят достатъчен въртящ момент на инструментите. Механичният редуктор увеличава скоростта на шпиндела до зададената в програмата за високоскоростна обработка.

Шпинделните устройства за директен монтаж също са лесни за поставяне и замяна, което съкращава прехода между отделните цикли на обработка.

Електрическите и пневматичните шпинделни устройства се нуждаят от елементи като въздушни линии и ел. проводници, които трябва да бъдат монтирани към машината така, че да не възпрепятстват движенията й или да създават риск при стружкоотделянето.

Директно задвижваните високоскоростни шпинделни блокове също позволяват гъвкавост при използване, тъй като могат да бъдат програмирани да работят с нормални скорости без загуба на мощност. Те могат да се използват и за процеси, проектирани за икономия на време, като срещуположно фрезоване с 2 инструмента (pinch milling). Ако машината има револверна глава, заредена с фрезови инструменти, тя може да осигури едновременна обработка с монтираните шпиндели. Така е възможно да се извършват сложни струго-фрезови операции значително по-бързо, отколкото само с един стандартен шпиндел.

Научен консултант на статията: доц. д-р инж. Пламен Угринов

Top