Високоскоростни шпиндели

• Разработването на специализирани шпиндели за високи работни скорости и прецизни приложения е водеща тенденция при съвременните металообработващи машини с ЦПУ
  
  
• Интегрирането на високоскоростен шпиндел в стандартни машинни конфигурации с цифрово управление е сред най-рентабилните стратегии за повишаване на ефективността
  
  
• Едни от най-предпочитаните модели са т. нар. “plug-and-play” решения, които елиминират нуждата от допълнителни модификации на машината при инсталация

Високоскоростната механична обработка е сред все по-предпочитаните методи за производство на метални изделия в съвременната индустрия. Тя налага използването на специализирани високоскорстни шпиндели, които позволяват оптимален баланс между скоростта и въртящия момент, а в резултат е налице подобрено стружкоотнемане. Разработването на шпиндели от ново поколение за високи работни скорости и прецизни приложения е водеща тенденция в технологичното развитие на металообработващите машини с ЦПУ в наши дни, а водещ фактор по отношение на ефективността и надеждността при тези ключови компоненти е дизайнът.

Потенциал за повишаване на производителността

Металообработващото оборудване с цифрово програмно управление играе водеща роля в редица производствени процеси, като директно влияе върху производителността и динамиката на изпълнение на поръчките. За много предприятия повишаването на ефективността на тези машини е разковничето към оптимизиране на разходната политика и конкурентоспособността и осигуряване на по-рентабилен растеж. Това обяснява непрекъснатия стремеж към модифициране и модернизиране на производствената техника за по-бърза и производителна работа. Практиката показва, че интегрирането на високоскоростен шпиндел в стандартни машинни конфигурации с ЦПУ е сред най-преките и финансово изгодни стратегии за повишаване на ефективността им както в дългосрочен план, така и краткосрочно.

Алтернативният вариант включва инвестиция в специализирано оборудване за високоскоростна обработка (HSM). В допълнение към необходимостта от сериозен капитал за покупка обаче, той крие и някои рискове за по-малките цехове, в които капацитетът на машината може да остане непълноценно използван.
Макар периодът за възвръщане на вложението в преоборудване на съществуващите машини с високоскоростни шпиндели да варира в зависимост от компанията, ползите по отношение на ефективността при въвеждането на HSM обработка се проявяват незабавно. Налице са, разбира се, и някои съображения, които е добре да бъдат взети предвид при прехода към високоскоростна обработка посредством интегриране на HSM шпиндел в експлоатационно оборудване.

За да бъде успешна трансформацията на една стандартна металообработваща конфигурация с ЦПУ в машина за високоскоростни операции, е необходимо преди всичко да се избере подходящият специализиран шпиндел. Препоръчително е да се отчете наличната мощност и да се предвиди дали ще бъде необходима допълнителна такава с цел повишаване на работните скорости. На пазара се предлагат модели, които се захранват от съществуващия капацитет на машината и осигуряват по-високи обороти за единица време, без да е необходимо осигуряването например на външна въздухоподаваща система.

Преход към HSM обработка

Ключово условие за плавен преход към високоскоростна обработка е напасването на смазочните операции с предвидения модел шпиндел. Специалистите съветват да се избере такъв, който не изисква прекалено интензивно смазване и би могъл да функционира безпроблемно с наличните дебит и циркулация на смазочно-охлаждаща течност, без да се налага допълнително преоборудване на машината. Такива са например версиите, които работят с провеждане на флуида през шпиндела с налягане в диапазона между 20 и 40 бара – стандартно при около 90% от съвременните металообработващи машини. Някои модели се предлагат и с охлаждане с водна риза, като са съвместими и със системите за вътрешно подаване на охладителна течност и с налягания до 100 бара. Голяма част от популярните HSM версии на пазара традиционно са оборудвани със специални лагери и уплътнителни технологии, които гарантират генериране на малко количество топлинна енергия при работа. Това осигурява прецизност на допуските и при по-дълги цикли на обработка. Отличната плавност и концентричност на движение в комбинация с максимална твърдост на шпиндела и ниско генериране на топлина гарантират широк спектър от приложения в сферата на пробивните и леките фрезови операции.

Сред най-предпочитаните от клиентите шпиндели са т. нар. “plug-and-play” дизайни, които елиминират нуждата от модификации при инсталация, тъй като универсално пасват на повечето популярни машини с ЦПУ в практиката.

Увеличаването само на броя обороти в минута обаче не е задължително да повиши производителността, подчертават експертите. За да е налице по-висока ефективност в работни проекти, които включват както високоскоростна обработка с малки инструменти, така и стандартна, е добре да се заложи на шпиндел, който може безпроблемно да се интегрира и в двете конфигурации, а също и в различни обработващи процеси.
Преместването на високоскоростния шпиндел от една машина на друга пък създава необходимост от допълнително прехвърляне и захващане на обработваните детайли заедно с него, което води до загуба на ценно време и накъсване на работния процес.

За да се предотврати това, е препоръчително да се избере компактен модел, съвместим с устройството за автоматична смяна на инструментите на машината, който може да бъде съхраняван в инструменталния магазин. Всяко подобрение в основните и спомагателните процеси, което минимизира времената на престой на машината и шпиндела, реално повишава производителността с времето.

Предимства на вискоскоростните шпиндели

В реални производствени сценарии преминаването към високоскоростна обработка (в диапазона 20 – 60 хил. об/мин) посредством специализирани HSM шпиндели позволява икономия на 60 – 70% от времето на обработка. За сравнение, една стандартна конфигурация обикновено работи със скорост 8 – 12 хил. об/мин. И макар резултатите да варират в зависимост от приложението, генералната закономерност в случая показва, че колкото повече се увеличават оборотите, толкова по-драстично намалява времето на обработка.

Интегрирането на универсализиран високоскоростен шпиндел, който използва съществуващата смазочно-охлаждаща система на машината и наличната мощност, значително редуцира и консумацията на енергия – както по време на работните цикли, така и в режим на изчакване. Съществена полза от използването на модел, който насочва струята смазочно-охлаждащ флуид прецизно в точката на обработка, е и забележителното намаляване на износването, което води до удължаване на сервизния живот на инструменталната екипировка. Така порядъкът на работните цикли, които може да “преживее” един инструмент, преди да се наложи подмяната му, от десетки хиляди може да нарасне скокообразно на няколкостотин хиляди.

С внедряването на високоскоростен шпиндел в съществуваща конфугурация не се постига по-дълъг жизнен цикъл само на инструментите, а и на самата машина, показват проучванията. Това е факт благодарение на възможността на най-новите модели HSM шпиндели да работят напълно независимо от основния шпиндел на машината с ЦПУ, оставяйки го в абсолютен покой – без излишно износване при обработката с висока скорост. Моделите от този сегмент са отлично решение за финишни и полуфинишни операции, които се извършват с режещи инструменти с малък диаметър, включително фрезоване, пробиване, скосяване, шлифоване и др.

Все по-популярни в металообработващата индустрия стават готовите комбинации от високоскоростни шпиндели и 90-градусови ъглови глави, които съчетават предимствата на HSM обработката с високата гъвкавост на ъгловата глава. Те позволяват по-лесно достигане на труднодостъпните зони на детайла, разширяват възможностите на триосните машини и обикновено се отличават с висока здравина и издръжливост, ниско радиално и аксиално биене и нисък коефициент на триене, което спомага за удължен експлоатационен живот. Възможностите с подобна конфигурация да се извършва както хоризонтална, така и вертикална обработка без нужда от препозициониране на обработвания детайл съществено намаляват времето за производство.
Сред най-актуалните иновации в сегмента са и технологиите за безжичен мониторинг на скоростта, производителността и износването на HSM шпинделите в реално време, които позволяват удобно извеждане на данните на външен операторски дисплей.

Факторът дизайн

Ефективността на един високоскоростен шпиндел до голяма степен зависи от конструкцията му – дали е оборудван с лагерна система с единичен или двоен двигател, какви са уплътнителните компоненти и какъв механизъм за задържане на инструмента се използва. По време на обработка шпинделът не е в директен контакт с детайла, но взаимодейства с него чрез друга технологична система – инструмента. Тази връзка предполага директно трансформиране на по-високите работни обороти в повишена ефективност и производителност. Ето защо характеристиките на инструменталната екипировка (конструкция, геометрия, материал, покритие и т. н.) са от критично значение за успешната оптимизация на обработката с ЦПУ посредством HSM шпиндел.

Не би трябвало тук да пренебрегваме като фактор и държача за инструменти, тъй като той се поставя директно в шпиндела и влияе върху взаимодействието му с инструмента. Една лошо подбрана и асемблирана или недобре работеща двойка държач-инструмент значително би влошила функционалността на HSM шпинделa. Високата прецизност, надеждност и безопасност на тази двойка, от друга страна, оказва положително влияние при оползотворяването на потенциала за повишаване на производителността на обработващата машинна конфигурация, надградена с HSM шпиндел.

Високоскоростното въртене създава големи центробежни сили. При HSM рязане тези сили растат експоненциално и могат да породят сериозно натоварване върху металорежещия инструмент, което да влоши експлоатационните му показатели. По време на фрезоване със сменяеми вложки тези високи центробежни сили могат дори да причинят счупване на затягащите винтове на пластините, тяхното разхлабване или повреда на тялото на инструмента. Някои от тези повреди не само крият риск от щети по детайла и машината, но могат да бъдат много опасни и за оператора. Ето защо производителите на инструментална екипировка насочват все повече усилия към проектирането на специализирани серии за високоскоростна обработка, които да гарантират необходимата надеждност, сигурност и безопасност при рязане с високи обороти. Разработват се иновативни технологии за монтаж на пластините в държача, както и дизайни с подобрена устойчивост и издръжливост на тялото на инструмента.

Най-малкият и слаб елемент от цялата технологична система на инструмента е затягащият винт на пластината. Чрез използване на динамометрични ключове най-добре се контролира неговото стягане, но само това не е достатъчно за надеждно управление на инструменталната екипировка при висок въртящ момент. Интелигентният дизайн на цялостната система би могъл значително да минимизира динамичното натоварване и върху този елемент. Някои специализирани серии фрези за високоскоростна обработка имат джобове за вложки с изпъкнал ръб на долната повърхност на конзолата и съответстващ жлеб на долната страна на вложката. Това елиминира радиалното изместване на пластината, причинено от големите центробежни сили при HSM рязане, и подобрява разпределението на натоварването върху затягащия винт на пластината. Фреза с индексируеми пластини с такава конструкция позволява надеждна работа с висока скорост над 30 хил. об/мин. За да се намалят центробежните сили, тялото на инструмента трябва да бъде аксиално симетрично и добре балансирано. Различни стандарти и норми на местно и международно ниво задават съответните степени на балансиране на инструментите.

Инструментална и спомагателна екипировка

При проектирането на специализирани серии със сменяеми вложки за HSM обработка e ключово да се гарантира, че разпределението на масата на тялото е симетрично спрямо оста му. Важно е да се уточни обаче, че това е теоретичен баланс във виртуално проектирания обект и не замества физическото балансиране, необходимо в тялото на реалния инструмент. Инженерите, занимаващи с конструиране на инструменти за високоскоростно рязане често се стремят да направят конзолите на индексируемите инструменти, и по-специално повърхностите на джобовете за вложките, колкото е възможно по-твърди, за да подобрят устойчивостта на износване. Въпреки това, колкото по-висока е твърдостта, толкова по-бързо се разрушава тялото на един бързо въртящ се инструмент. Следователно намирането на оптимално съотношение между здравина и износване е друга важна задача при проектирането на ефективни HSM инструменти.

Монолитните твърдосплавни инструменти обикновено се отличават с по-висока точност и по-добра аксиална симетрия в сравнение с тези със сменяеми вложки. Първите традиционно се отличават и с по-малки диаметри, което естествено изисква по-високи обороти в минута дори при същата скорост на рязане. Това до голяма степен обяснява защо във високоскоростни приложения по-голямата част от използваните инструменти са монолитни. Обикновено тези инструменти се произвеждат от циментирани карбиди с покритие, въпреки че през последните години режещата керамика като инструментален материал става все по-популярна за HSM обработка на високотемпературни суперсплави.

Въпреки богатото пазарно разнообразие изборът на режещ инструмент (и по-специално фреза) за HSM приложения може да се окаже труден. Затрудненията произтичат вследствие на факта, че при монолитните твърдосплавни палцови цилиндрични фрези съотношението на надвеса към диаметъра е доста по-голямо в сравнение с моделите със сменяеми вложки. Тази характеристика, в комбинация с формата, която по същество отслабва напречното сечение на инструмента, изисква обръщане на специално внимание на вибрациите при рязане.

При HSM обработка динамичните характеристики на инструмента не могат и не бива да бъдат отделяни от инструментодържача. Съвременните CAD/CAM системи могат да спомогнат за предварителна оценка на динамичното поведение на различните инструменти, държачи и аксесоари въз основа на техните 3D модели (включително при HSM сценарии). Ето защо производителите на инструментална екипировка все по-често добавят стандартно такива модели на цялата технологична система към офертите си.

Иновации

Тъй като модерните металорежещи машини непрекъснато се усъвършенстват в посока към по-висока скорост и прецизност, техническите изисквания към шпинделите постоянно нарастват. Моторизираният шпиндел е един от основните функционални компоненти на високоскоростните металорежещи машини. Предимство при съвременните модели е, че моторът се намира във вътрешността на корпуса на шпиндела, което опростява дизайна и се постига т. нар. концепция "zero drive" или "нулево (външно) задвижване". Плюсовете й включват компактна и олекотена конструкция, малка инерция и добри динамични характеристики. Динамичният баланс на машината се подобрява вследствие на този монолитен дизайн, а шумът и вибрациите до голяма степен се елиминират.

Структурата на традиционните търкалящи лагери затруднява изпълнението на изискванията за висока скорост и висока прецизност при HSM обработка, така че лагерните механизми се оказват сред областите на най-активни технологични разработки и иновации при високоскоростните металорежещи машини от ново поколение. Като основен структурен елемент в поддръжката на високоскоростните моторизирани шпиндели, лагерите трябва да отговарят на специфични изисквания за работа при високи въртящи моменти, да имат висока точност, която да не се влошава с времето, а също и дълъг експлоатационен живот. При високоскоростно рязане интегрираните в шпиндела мотор и лагери традиционно генерират голямо количество топлина. При компактните съвременни конструкции е налице следният риск: ако тази топлинна енергия не се отведе извън шпиндела, тя може да доведе до топлинна деформация на компонентите му, която да повлияе състоянието на предварително натоварване на лагерите и точността на обработка на машината.

За свръхпрецизните машинни конфигурации термичната грешка при работа с високоскоростен моторизиран шпиндел може да достигне до 90% и драстично да влоши точността на системата. Ето защо разработката на ефективни методи и технологии за потискане на този феномен е основен фокус на проектантите през последните години в стремежа им към подобряване на точността и производителността на високоскоростните шпиндели. Така, наред с лагерите и средствата за динамично балансиране, интелигентните решения за измерване и компенсиране на термичната грешка са сред сегментите, при които можем да очакваме най-много иновации през следващите години в областта на HSM шпинделите и машините.