Вертикални моноблокови обработващи центри

Част от основните изисквания към носещата система на обработващите центри е високата статична стабилност и термосиметричността на конструкцията. Последното изискване е необходимо за избягване на ъгловите топлинни деформации, свързани с изкривяването на корпусните детайли под въздействието на променящата се температура на околния въздух, двигателите, в зоната на рязане, магистралите за мазане и охлаждане. Едноколонната компановка на вертикалните обработващи центри, която в исторически план е първа и в момента е с най-широко разпространение за този вид машини, не съответства на съвременната тенденция за оптимално съчетаване на висока производителност и точност. Неудовлетворителните показатели на статичната стабилност се дължат на голямата конзолност на шпинделната кутия и съответно - на високия момент на силите на рязане, който води до повишени завъртания в подвижното съединение с колоната; на собствените деформации на колоната. Едноколонната компановка принципно не е термосиметрична - топлинното натоварване от лицевата страна на колоната е по-силно, тъй като там е зоната на рязане, главния и подавателния двигател, шпинделните лагери, сачмено-винтовата двойка. Несиметричното термично натоварване предизвиква изкривяване на колоната, компенсирането на което е трудно или невъзможно за изпълнение. Сравнително успешно в практически план се решава проблемът с линейните топлинни деформации. Поради това стремежът на конструкторите е да се елиминират или поне сведат до минимум ъгловите топлинни деформации.

Един отговор в тази посока са класическите портални компановки, които се състоят от две колони, свързани помежду си с напречна греда. Образува се рамка, наречена портал, който може да е подвижен или неподвижен. Широко разпространение има решението с неподвижен портал, което притежава предимства пред едноколонните машини: порталът е с по-висока коравина, а топлинните му деформации са предимно линейни. Практиката показва, че приложението на класическия портал е при голямогабаритните машини от типа на надлъжно-фрезовите (фрез-хобели) и надлъжно-стъргателните (хобели).

Моноблок
За повишаване на статичната и топлинната стабилност на машините от по-малките типоразмери (примерно средните от 400 до 800 mm) се използва едно сравнително ново решение, базирано на класическата портална компановка. При него порталът, изработван от отделни елементи, се замества от монолитна отливка, наречена моноблок. Моноблокът, в сравнение с класическия портал, е с променени пропорции. Колоните са по-къси, контактната им площ с тялото е по-голяма, хоризонталната част е по-широка. Така моноблокът става едно масивно твърдо тяло, притежаващо високи показатели на собствената коравина, демпфиращата способност, топлинната инерционност, термосиметричността. Повишава се контактната стабилност в съединението му с тялото.

Благодарение на тези предимства, вертикалните моноблокови обработващи центри се радват на много добър прием сред потребителите. Предлагат се както в базовото 3-осно изпълнение, така и в 5-осно. Всъщност, именно 5-осното изпълнение разкрива най-пълно достойнствата на моноблока.

Носещи системи на вертикални моноблокови обработващи центри
На фиг. 1 е показан най-характерният представител - 5-осна машина с комплект въртяща и наклоняваща маса тип „люлка”. По направляващите 8 и 16 на моноблока 14, свързан с тялото 22, се движи шейната 10 по ос Х, а по нейните направляващи 12 вертикално движение по ос Z извършва шейната 13 по ос Z. Върху шейната 3 по ос Y е монтиран комплект кръгови оси 4, състоящ се от въртящата маса 6 по ос С и наклоняващата маса 5 по ос А. Компановката осигурява много добра статична и топлинна стабилност, лесен достъп до работната зона, благоприятни условия за отвеждане на стружката. Корпусните детайли са масивни отливки, получени от високояк сферографитен чугун тип meehanite.

В шпинделната кутия 15 е разположен шпинделът 17, който се изпълнява или като мотор-шпиндел, или е с последователно куплиран главен двигател 9. И в двата случая шпинделната кутия е компактна в направленията Х и Y и e с малка конзолност. Малкото й тегло дава възможност да се избегне механизмът за вертикално уравновесяване, което опростява конструкцията. Шейната по ос Х е лека, с голяма коравина и малка височина, способстваща за намаляване на конзолността. На същия принцип е изградена и шейната по ос Y - лека конструкция с голяма коравина и малка височина, минимизираща преобръщащия момент от хоризонталните компоненти на силата на рязане. Направляващите са от типа линейни релсови търкалящи направляващи (ролкови или сачмени) с висока точност, стабилност и скоростни характеристики. Задвижването на шейните обикновено е по традиционния начин посредством роторни двигатели (1, 7, 11) с двуопорни предварително опънати сачмено-винтови двойки. При високоскоростните машини с големи ходове по осите се предлага директно задвижване с линейни двигатели. Кръговите оси получават движение от двигателите 19 и 20. Инструменталният магазин 14 обикновено е присъединен към моноблока. Системата за автоматична смяна на инструментите може да бъде с автооператор (както е показано) или без - по схемата „pick-up”.

Масивният характер на моноблока повдига центъра на тежестта на носещата система на машината. За свалянето му (това е необходимо за намаляване на нивото на вибрациите) отливката на тялото се изработва по-масивна, подходящо оребрена. Тук като едно решение, освен традиционния чугун, все по-широко се налага полимербетонът, въпреки че оскъпява изделието. Полимербетоновите тела се отличават с високи демпфиращи свойства, много ниска топлопроводност и линейни топлинни деформации, не поглъщат влага, което гарантира постоянството на якостта и размерите. Някои от предимствата на полимербетоновите тела спрямо чугунените са илюстрирани на фиг. 2. Едно от тях е по-голямата топлинна инерционност - при изменение на температурата на околната среда вариацията на температурата на полимербетоновото тяло е значително по-малка от тази на чугуна (фиг. 2а); това се проявява в по-малки изменения на топлинните деформации на тялото от полимербетон. При вибрации амплитудата и времето за затихването им при полимербетоновото тяло са съществено по-малки от тези при тялото, изработено от чугун (фиг. 2б), което прави работата по-спокойна, качеството на обработената повърхнина по-добро, а инструментът - с по-висок експлоатационен ресурс.

За повишаване на общата стабилност на машината се търсят пътища за намаляване на конзолността на шейните, придвижващи шпиндела. В носещата система, показана на фиг. 3, тази конзолност е намалена значително в сравнение с тази от фиг. 1 - шейната по ос Х се движи по направляващи, оформени в хоризонталната част на моноблока. Едновременно с повишаването на стабилността, формиращият се резерв се използва за увеличаване на масата на шпинделната кутия - монтира се по-мощен (и съответно по-тежък) главен двигател, което разширява технологичния обхват на машината. Друго предимство е възможността самата шейна по ос Х да се изработи като корпусен детайл с по-голяма собствена коравина.

При машините за обработване на заготовки с по-малки размери и тегло се предпочита конзолен блок, съдържащ въртяща и наклоняваща маса (фиг. 4). Тази носеща система е много подходяща за високоскоростна обработка.

При машините от горния сегмент на средния типоразмер, които се характеризират с по-високо тегло на заготовката, кръговите оси се пренасочват към шпиндела. Пример за това е обработващият център, показан на фиг. 5, при който въртящата маса (ос С) носи заготовката, а кръговата ос е реализирана като наклоняваща шпинделна глава. Разликата между двата варианта се състои в това, че при фиг. 5а се наклонява самият шпинделен възел (ос А), докато при фиг. 5б се това извършва цялата шпинделна кутия. Последното позволява машината да притежава пълноразмерно стационарно вретено, което да работи с тежки режими на рязане.

Много ценни свойства може да има носещата система на вертикалния арковиден моноблоков 3-осов обработващ център с кръстата маса. Моноблокът тук е изпълнен като арка, която има повишена собствена коравина. Ако в арката се оформи ниша и в нея се разположи движението на шпинделната кутия, се появява възможност задвижването по ос Z да стане през нейния център на тежестта, благодарение на което нивото на вибрациите се намалява значително. Обяснението се състои в следното.

Когато между центъра на тежестта на шейната и оста на винта на сачмено-винтовата двойка съществува разстояние H, в периода на ускоряване-забавяне аксиалната двигателна сила FДВ (фиг. 7) предизвиква момент М, който завърта шейната. При завъртането възниква ударно натоварване и в материала на шейната се разпространява деформационна вълна, която бързо обхваща целия му обем и той започва да вибрира.

При конвенционалните машини ускоренията не са големи и възникващите вибрации не се отразяват съществено върху точността на обработката и трайността на инструмента. Затова традиционното конструкторско решение допуска дистанция между оста на винта и центъра на тежестта. Това дава и технологични предимства при монтажа, тъй като позволява като първа стъпка винтът да бъде установен и ориентиран с необходимата точност спрямо направляващите и като втора - шейната да бъде монтирана и контактната й повърхнина напасвана към челото на гайката.

За избягване на завъртането на шейната при високоскоростните машини, винтът би могъл да се монтира така, че да преминава през центъра на тежестта. Това обаче не се практикува, тъй като едно такова решение отслабва значително напречното сечение по цялата дължина на шейната и намалява коравината й. Вместо това винтът се извежда извън зоната между двете направляващи и задвижването става не чрез един, а чрез два винта, разположени от двете страни на шейната (фиг. 8). Всеки от винтовете създава аксиална двигателна сила FДВ/2, а резултиращата на тази система от две успоредни сили е силата FДВ, приложена в центъра на тежестта. Движението на шейната с използване на задвижване през центъра на тежестта е практически безвибрационно, то подобрява динамиката на машината, позволява да се повиши ускорението, което от своя страна открива възможност за намаляване на времето за позициониране.

Технически характеристики
Като пример е представена машина с наклоняваща шпинделна глава по ос А и въртяща маса по ос С с диаметър Ж750 mm, която е предназначена за сравнително тежки заготовки с маса до 800 kg. Работните ходове са 885 mm по ос Х, 600 mm по ос Y и 600 mm по ос Z. Ъгловият обхват на наклоняващата вретенна глава е -10°/+110°. Управлението може да се изпълни чрез едновременна интерполация по 5-те оси или като 3+2-осен вариант.

За постигане на високоскоростно движение по линейните оси се използват линейни двигатели, а въртящите се задвижват директно с високомоментни ротационни. Скоростта на бързия ход и максималната подавателна скорост по линейните оси е 90 m/min, ускорението надхвърля 2g.

Инструменталният магазин е с вертикална ос, стандартна вместимост 30 гнезда, опционално - до 180. Времето за смяна „от стружка до стружка” е 6 секунди. Автоматичната смяна на инструментите се осъществява на принципа „pick-up”. Шпинделният възел е решен във вид на мотор-шпиндел, разположен в корпуса на наклоняващата глава. Могат да се монтират различни варианти на мотор-шпиндели, съобразени с особеностите на конкретното технологично предназначение - 18 000, 28 000 и 42 000 min-1. Горната граница на честотата на въртене позволява да се работи с инструмент с най-малък диаметър. Интегрираният главен двигател може да осигури съответно мощност 45, 35 и 10 kW и въртящ момент от 60, 38 и 6 Nm. Управлението му е векторно, благодарение на което се постига достатъчно висок въртящ момент при ниски честоти на въртене, високи стойности на ускорението, твърдо нарязване на резба с метчик без използване на компенсиращо приспособление. Двигателят се охлажда непрекъснато чрез циркулираща течност. Като опция се предлага охлаждане на зоната между базовия конус и предната лагерна опора. Шпинделът е лагеруван върху хибридни търкалящи лагери, които се мажат с въздушно-маслена смес. Вградени са сензори за следене на основните параметри на работата на шпинделния възел и интелигентно управление на процеса на фрезоване. Базовият конус е предназначен за HSK-A63 инструментодържачи; контактът „шпиндел-инструментодържач” е с висока стабилност и повторяемост на позиционирането. През шпиндела може да се подава мажещо-охлаждаща течност и въздух под налягане.

За отмиване на стружката се осигурява обилно количество мажещо-охлаждаща течност. Шнекови транспортьори извеждат стружката извън работната зона, след което тя се поема от лентов транспортьор, който я насочва към стружкосъбирателен контейнер. Отработилата мажещо-охлаждаща течност се филтрира и охлажда, след което отново навлиза в системата за циркулация.

При обработване на графит се монтира достатъчно мощна аспирационна система за незабавно отвеждане и събиране извън машината на образувалия се графитен прах.

Машината е предназначена за обработване на сложни и точни детайли за медицински и дентални цели, за нуждите на фината механика (механични часовници), автомобилната и авиокосмическата индустрия, за производството на обемен формообразуващ инструмент, електроди, турбинни колела и др. Обработваните материали са легирана и неръждаема стомана, титанови и алуминиеви сплави, графит. Високата стабилност на носещата система, мощността и въртящият момент на шпиндела позволяват да се обработва закалена стомана и материали с голяма твърдост до HRC 65.
У нас се търсят предимно вертикални обработващи центри от средния типоразмер. Именно в този сегмент се проявяват предимствата на моноблока. Работейки с такава машина, българският машиностроител може да разчита на много благоприятни нива на производителност и точност. При избор на 5-осна или 3+2-осна машина могат да се обработват заготовки от различни материали (от графит и алуминий до закалена стомана), съдържащи сложни обемно-профилни повърхнини.

Предлаганите от производителите компановки са съобразени с теглото на заготовката. Обработващите центри могат да бъдат заявени както за конвенционална обработка (примерно с обороти на шпиндела до 12 000 min-1 и скорост на бързия ход до 30 m/min), така и за високоскоростна (примерно с обороти на шпиндела до 50 000 min-1 и скорост на бързия ход до 60...90 m/min). Конусът на шпиндела може да бъде с традиционния дълъг плътен конус тип SK, BT или с кух къс конус HSK за високоскоростна обработка.

доц. д-р инж. Пламен Угринов