Вертикални стругови машини с ЦПУ

Oбработката на ротационно-симетричните детайли от типа на валове, оси, втулки, дискове се извършва основно върху традиционни стругови машини с хоризонтална компановка. Заготовката се закрепва в хоризонталния шпиндел и чрез ротацията й се реализира главното движение. Инструментите се разполагат в ножодържач или револверна глава и получават подавателни движения благодарение на двата супорта – надлъжния и напречния. Висока производителност се постига чрез “непрекъснатата” заготовка - калибровани пръти със стандартна дължина, които се подават автоматично през централния отвор на шпиндела.

Но при обработването на отделни заготовки – в единия случай голямогабаритни и тежки, във втория - малогабаритни и леки, хоризонталната стругова машина показва своята неефективност. Тя се дължи на две основни причини.

Първата причина е свързана с негативите на конзолното разположение на тежките патронникови заготовки. Доскорошната практика предполага обработка върху хоризонтални бандажни стругове – заготовката се закрепва в подходяща по диаметър планшайба, монтирана към хоризонталния шпиндел. Недостатъци са: трудностите при базирането и закрепването на масивните заготовки, големите еластични деформации на носещата система под действието на конзолното положение на заготовката, значителното радиално биене, вибрации и ниска скорост на рязане, свързани с дебаланса на ротиращата система.

Втората причина се отнася до необходимостта от специално манипулиращо устройство (робот, манипулатор) за смяна на патронниковите заготовки (отливки, щамповки, изковки, прокат) със сравнително малки размери и маса през работната зона на машината. Освен повишаването на стойността, габарита и теглото на струга, роботът/манипулаторът не показва нужната рационалност - спомагателното време за смяна надвишава неколкократно машинното.

Алтернативата е във вид на вертикални стругови машини. Названието им идва от вертикално разположената ос на шпиндела. Използват се две компановки - права и обърната. Термините “права” и “обърната” не са свързани с определена ориентация на работните органи, а отразяват разпределението на подавателните движения между тях.

Правата компановка е предназначена за заготовки с голямо тегло и размери. Поради това подавателните движения се изпълняват от супортите, придвижващи инструмента (както е и при традиционната хоризонтална компановка). Заготовката няма движения по линейните оси, а участва единствено чрез ротацията (посредством шпиндела) в реализацията на главното движение и кръговото подавателно движение по ос С.

Обърнатата компановка, за разлика от правата, е особено подходяща за малки по размер и тегло детайли, във връзка с което подавателните движения се реализират от супортите по линейните оси, които придават подавателни движения на шпиндела и закрепената в него заготовка.

Вертикални стругови машини с ЦПУ - права компановка
Нейни представители са известните каруселни стругове, предназначени за обработката на големогабаритни и тежки заготовки. “Каруселен” е понятие, което се свързва с ръчно управляваните машини. Преминаването към цифрово управление разширява значително технологичните възможности, води до нарастване на обхвата на приложенията и подобяване на ефективността на използването им, поради което за тези машини е възприето названието “вертикални стругове”.

Въртенето на тежката заготовка около вертикална ос дава възможност за преодоляване на недостатъците на машините с хоризонтален шпиндел. Шпинделът се изпълнява във вид на планшайба, заготовката се разполага върху нейната хоризонтална работна повърхнина, а товарът, създаван от теглото на заготовката, се разпределя по-рационално върху тялото и фундамента на машината.

Елиминирането на конзолността има съществени предимства - облекчава се зареждането със заготовки и снемането на готовите детайли, намалява се изкривяването на носещата система, повишава се точността и производителността, проявява се принципен резерв на компановката за разширяване на типоразмера на машината. Приложение имат два основни вида вертикални стругови машини - едноколонни и портални.

Едноколонни вертикални стругови машини с ЦПУ - права компановка
Общото им устройство е показано на фиг. 1. Планшайбата, върху която се установява заготовката, е лагерувана в тялото на машината. Оформени са радиални Т-образни канали за затягащите приспособления, чрез които се извършва закрепването на заготовката. Ротацията на планшайбата около вертикалната ос е с честота на въртне n, която може да се регулира плавно и безстепенно, или да бъде с определен брой z фиксирани оборотни степени. Супортът, носещ режещия инструмент, се състои от два подвижни елемента. Супортът по ос X се премества хоризонтално по направляващите на траверсата.

В него се движи супортът по ос Z, в чийто край е разположен ножодържачът. Супортът по ос Z има достатъчен ход за достигане до обработваните повърхнини по височина на заготовката. Траверсата изпълнява установъчно движение по ос W по направляващите на колоната, което е необходимо за изходно настройване на положението на работните органи спрямо височината на заготовката. Осигуряването на достатъчен работен ход по ос Х налага хоризонталният габарит на траверсата да надвишава разстоянието между направляващите на колоната, вследствие на което двата края на траверсата се оказват конзолни, което намалява коравината й.

Върху траверсата могат да се разположат диаметрално два супорта, чието движение съответно по осите X1 и Z1 и X2 и Z2 се координира точно от системата за управление. Едновременното рязане с два инструмента повишава производителността, а също така и точността, тъй като силите на рязане взаимно се уравновесяват. Използването на два инструмента е показано на фиг. 2 при едновременната обработка на вътрешни и външни повърхнини. Използваните интерполации позволяват обработка на практически произволни контури на тези повърхнини.

Портални вертикални стругови машини с ЦПУ - права компановка
Порталът се състои от две неподвижни колони, съединени помежду си с напречна хоризонтална греда. Това способства за повишаване на собствената коравина на корпусните детайли на носещата система на машината, а оттук - за постигане на по-висока точност и производителност на обработката. Подобрява се и работата на траверсата - тя е закрепена и задвижвана синхронно в двата й края. По този начин се отстранява конзолността и се подобрява точността на позициониране. Порталната компановка позволява вариране в широки граници на диаметъра на планшайбата посредством изменение на разстоянието между колоните.

Тази компановка може да се изпълни като едносупортна, но по-често е двусупортна благодарение на стабилната и дълга траверса.
Порталните машини превъзхождат едноколонните по отношение на теглото и габаритите на обработваните детайли. Върху някои уникални машини могат да се струговат детайли с маса над 20 тона и диаметър над 5000 милиметра, докато при едноколонните ограничението обикновено е до 5 тона и 3000 милиметра.

Моноблокови вертикални стругови машини с ЦПУ - права компановка
Тези машини заемат междинно положение между едноколонните и порталните и притежават предимствата и на двете. Вместо по колона или портал, траверсата се движи по специален корпусен детайл - моноблок. Моноблокът представлява монолитна отливка, в която се различават две колони, съединени помежду си по цялата своя височина. Характеризира се с компактност и висока собствена коравина. В нишата между колоните влиза част от габарита на планшайбата.

Стругови центри на базата на вертикални стругови машини - права компановка
С цел повишаване на концентрацията на операциите при една установка, струговите машини се надграждат до стругови центри. По този начин заедно с основната обработка - струговата, могат да се извършват фрезови, пробивни и др. технологични преходи, изискващи въртящ се инструмент. Освен главното движение, планшайбата получава кръгово подавателно движение по ос С. В работа се въвеждат и задвижвани въртящи се инструменти - фрези, свредла, метчици и др.

На фиг. 3 е показана схема на вертикален стругов център. Обработката със задвижван инструмент може да се извърши както при неподвижна заготовка, така и при нейното кръгово подавателно движение по ос С. Илюстрирано е фрезоване на заготовката с опашкова фреза, разположена в шпиндела на машината, който от своя страна е монтиран в супорта по ос Z. Инструментите са разположени в инструментален магазин и са със стандартни базови присъединителни конуси (примерно SK, BT).

В магазина са както въртящите инструменти, така и ножовете за стругова обработка. При работата на последните, шпинделът се ориентира ъглово и се фиксира стабилно в това положение за да се осигури характерната стационарност на струговия инструмент. Смяната на инструментите става по принципа “pick-up” - шпинделът сам взема инструмента от магазина, след което го връща в същото гнездо.

Различни видове обработки с въртящ се инструмент са илюстрирани върху фиг. 4 - челно фрезоване, пробиване с винтово свредло, нарязване на резба с метчик.
В последните години се прояви тенденция към разширяване на обхвата на габаритите на заготовките. Заедно с традиционното приложение за тежки и големогабаритни заготовки, достойнствата на порталната и моноблоковата компановка се прилагат все по-широко за изграждане на стругови центри, предназначени за средни по размер на диаметъра детайли. Характерен пример за това са центрите за обработване на джанти от алуминиеви отливки.

Особености на конструкцията на вертикалните стругови машини с ЦПУ - права компановка
Корпусните детайли са отливки от високояк чугун. За повишаване на собствената им коравина и виброустойчивост се оребряват по подходящ начин. Опционално, обикновено тялото, се предлага от полимербетон, който има значително по-добри вибропоглъщащи свойства и по-нисък коефициент на линейно разширение.
Планшайбите се лагеруват върху комбинирани специални аксиално-радиални ролкови или сачмени търкалящи лагери. При големи диаметри на планшайбата и изисквания за висока товароносимост, се предпочитат хидростатични лагери, конструктивно оформени в близост до периферията на планшайбата. Освен изключително плавната работа, хидростатичните опори се проявяват като добри демпфери за гасене на появилите се вибрации.

Вертикални стругови машини с ЦПУ - обърната компановка
Тези машини представляват стругови центри за патронникови детайли и придобиват популярност през последните 20-25 години. Класическият техен представител е служи като базов вариант за разработване на различни по предназначение и свойства изпълнения. Заготовката с примерен диаметър до 100 mm се закрепва в патронника на шпиндела, който има традиционна конструкция с възможност и за кръгова подавателна ос С. Разположен е в шпинделната кутия 3, движеща си по ос Z по направляващите на шейната по ос Х 4. Към колоната неподвижно е монтирана револверната глава 1, съдържаща стационарни и задвижвани инструменти. Тъй като заготовките са с неголеми размери, работните ходове са малки, машината е компактна и с висока статична стабилност. Разположението на заготовката над стружкосъбирателния отвор облекчава отвеждането на отпадните продукти на рязането, което става по естествен, гравитационен начин.

Особено важно предимство на машините с обърната компановка в сравнение с хоризонталните алтернативи е малката заемана площ върху цеховия фундамент.
Основен проблем тук е времето за смяна на заготовките. Решението се състои в отказа от използване на специално манипулиращо устройство. Ролята му се поема от шпиндела, който взема и връща заготовката/детайла в магазина по принципа “pick-up”.

Магазинът за заготовки/детайли е дисков тип с вертикална ос на въртене, разположен странично на колоната на машината. Чрез супортите по осите X и Z шпинделът се премества в позиция за зареждане, където челюстите на патронника захващат заготовката от магазина, въвеждат я в работната зона, където тя се подлага на обработване, след което по обратния път готовият детайл се поставя в магазина.

За по-нататъшно повишаване на производителността при детайли с особено малки машинни времена, се прилага двушпинделна компановка. Шпинделите са разположени отляво и отдясно на колоната и извършват движенията по осите Z1 и Z2, а револверната глава - по ос Х. Магазинът за заготовки/детайли е или праволинеен, или кръгообразен, обхващащ колоната. Докато левият шпиндел извършва обработката, десният взема заготовката, след което ролите се сменят. Непроизводителното време е елиминирано почти напълно поради редуващите се цикли на работа на шпинделите.

Двушпинделната компановка се използва и за двустранна обработка на патронниковите детайли - подобно на функциите на главния и насрещния шпиндел при хоризонталните машини. Преобръщащ манипулатор поема от единия шпиндел обработената от едната страна заготовка и я предава на втория шпиндел за обработване на другата.

Идеята за обърната компановка може да се използва не само за патронникови детайли, но и за валове. В едношпинделната машина на фиг. 5 е предвидено и задно седло със заден център. В револверната глава (с движения по оси X и Z) е развит хващач, чрез който заготовката се поема от странично разположения магазин (фиг. 5а) и се въвежда в позицията за обработване (фиг. 5б), обработва се и след това обработеният детайл се връща обратно. Спомагателните времена са намалени значително, конструкцията е опростена, тъй като е избегнато използването на допълнително манипулиращо устройство, заготовката не се огъва под действие на собственото си тегло.

Особености на конструк-цията на вертикалните стругови машини с ЦПУ - обърната компановка
Корпусните детайли са отливки от високояк чугун или полимербетон. Конструкцията на шпиндела е близка до традиционната при хоризонталните компановки - в двете опори се използват радиално-аксиални едноредови сачмени лагери. В предната опора, която е по-натоварена, лагерите се сдружават по няколко и се разполагат по познатите схеми - О, Х, тандем и други, с цел да се подобри стабилността и товароносимостта й. Усилена е носещата способност в аксиално направление с цел поемане на теглото на шпинделния възел като цяло плюс теглото на патронника. През централния отвор преминава тяговият прът на устройството за задвижване на челюстите на патронника, чиято роля нараства чрез функцията за манипулиране на детайлите.

доц. д-р инж. Пламен Угринов