Характеристика обработки на станках с ЧПУ

Обработка на станках с ЧПУ характеризуется: ростом производительности труда благодаря сокращению основного и вспомогательного времени (переналадки); возможностью применения многостаночного обслуживания одним оператором; повышенной точностью и стабильностью качества; снижением затрат на специальные приспособления; сокращением или полной ликвидацией разметочных и слесарно-подгоночных работ. Опыт использования станков с ЧПУ показал, что эффективность их применения возрастает при повышении требуемой точности, усложнении условий обработки (взаимное перемещение заготовки и инструмента по пяти-шести координатам), многоинструментной многооперационной обработке заготовок с одного установа и т. п. Попутно заметим, что повышение требуемой точности изготовления деталей является общемировой тенденцией.

Большое преимущество обработки на станках с ЧПУ заключается также в том, что исключается тяжелый ручной труд рабочих, сокращаются потребности в квалифицированных станочниках-универсалах, изменяется состав работников заготовительных, металлообрабатывающих, термических цехов.

В комплекс ЧПУ входят: управляющее устройство, которое преобразует по соответствующему закону цифровую информацию, содержащуюся в программе, в управляющие сигналы, и исполнительные устройства станка (оборудования), служащие в первую очередь для обеспечения заданных движений подач. Кроме движений подач, на станках многих типов необходимо управлять и другими функциями, например, изменением крутящего момента или рабочего усилия, сменой инструментов, изменением частоты вращения шпинделя, зажимом столов и кареток, подачей охлаждающей жидкости и т. д.

Структура систем ЧПУ за время своей эволюции претерпела существенные изменения: на смену жесткой командной, не имеющей обратных связей от объекта обработки, пришла легко перепрограммируемая структура, имеющая в основе промышленный компьютер (на момент составления учебника с тактовой частотой процессора 2−3 ГГц, жестким накопителем в 320−500 Гб, оперативной памятью 3−4 Гб, графической картой в 512 Мб и более, операционной системой Windows и специализированным процессором для интерфейса со станком).

К настоящему времени создано много эффективных оригинальных технических решений, касающихся функциональных элементов станков с ЧПУ. Рассмотрим существенные конструктивные признаки более детально.

Конструктивные признаки оборудования с ЧПУ

Применение ЧПУ не только поменяло характер организации производства, но и коренным образом повлияло на изменение технических решений самого оборудования.

Для реализации идеи ЧПУ необходимо выполнение ряда жестких требований к конструкции, без которого использование систем малоэффективно. Прежде всего системы ЧПУ позволяют обеспечить высокую точность перемещения исполнительных органов (шаг менее 1 мкм). Например, для оборудования по механической обработке для переноса этой точности на размеры обрабатываемых заготовок деталей и получения при этом шероховатости Rа не более 0,2 мкм, а также поддержания их в течение всего периода эксплуатации необходимо, чтобы механические узлы удовлетворяли соответствующим требованиям, например точности перемещений рабочих органов в строгом соответствии с управляющей программой. Поэтому оснащение оборудования системами ЧПУ повлекло пересмотр их конструкций следующим образом.

1. Базовые узлы выполняют более жесткими, при этом станина должна обеспечивать удобный доступ к обрабатываемой заготовке детали и свободный сход стружки (для станков по механической обработке). С этой целью в станках токарной группы применяют наклонные станины с плоскими или круглыми направляющими. Направляющие выполняют более износостойкими, с малым коэффициентом трения (качения, гидростатические или на воздушной подушке). Примеры конструкций представлены на рис. 21.3 и 21.4.

Рис. 21.3. Направляющие качения.

Рис. 21.4. Линейные направляющие.

Большие расстояния между стальными закаленными направляющими и увеличенные площади их опорных поверхностей обеспечивают малое распределенное давление, возникающее от усилий резания, отсутствие вибраций при нагруженных режимах резания. Создана надежная защита от загрязнений и используется автоматическая смазка направляющих, что обеспечивает долговечность работы станка с сохранением постоянной точности. Вместо традиционных материалов для станин (стали или чугуна) все чаще применяют керамические типа искусственного гранита, обладающие при меньшей массе к тому же и меньшей чувствительностью к вибрациям и изменениям температур. На самых современных моделях предусмотрено принудительнос охлаждение станины и шпиндельных бабок (рис. 21.5) через сеть каналов с охлажденным маслом. Такое техническое решение обеспечивает стабильность точности при длительной обработке.

Рис. 21.5. Сеть охлаждающих каналов:

а — в станине; б — шпиндельной бабке.

• 2. По сравнению с традиционным обрабатывающим оборудованием у станков с ЧПУ изменился принцип построения кинематических схем и компоновок. Разветвленные кинематические связи уступили место элементарно простым связям с автономными приводами по каждой из координат перемещения. Наряду с асинхронными двигателями стали использовать шаговые и линейные, обеспечившие более высокую точность позиционирования исполнительных элементов. При этом узлы привода главного движения обеспечивают бесступенчатое регулирование частоты вращения шпинделя и передачи крутящего момента, а узлы привода подач (в случае невозможности использования прямого привода двигатель — инструмент) выполняют с короткими кинематическими (беззазорные редукторы) и шариковыми винтовыми парами, обеспечивающими высокую жесткость, плавность хода, минимальные потери на трение. Пример прямого привода — это электрошпиндель, интеграция шпинделя и электродвигателя, т. е. случай, когда ротор электродвигателя является единым целым с телом шпинделя. Это техническое решение обеспечивает лучшую передачу мощности, высокую и стабильную точность обработки (благодаря отсутствию люфтов в передачах), отсутствие нагрева (свойственного ременной или зубчатой передачам) и повышенной шумности работы.
• 3. В станки встраивают дополнительные автоматические устройства:
  • • подачи и смены инструмента (рис. 21.6);

Рис. 21.6. Варианты исполнения инструментальных магазинов с устройствами подачи и смены инструмента.

• для автоматической подачи, загрузки и закрепления заготовок на рабочей позиции с последующим автоматическим съемом готовой детали (рис. 21.7);

Рис. 21.7. Устройства подачи и загрузки заготовок.

• уборки стружки (рис. 21.8);

Рис. 21.8. ЧПУ с автоматической уборкой стружки:

а — общий вид; б - бункер для сбора стружки.

• выгрузки и транспортировки готовых деталей (рис. 21.9);

Рис. 21.9. Конвейер готовой продукции.

• смазки; и др.

Для металлорежущих станков изменилась конструкция шпинделя, в который встраивают устройства автоматического зажима и разжима инструмента. В инструментальном шпинделе и в качестве приводного инструмента револьверной головки можно использовать инструмент с внутренней подачей СОЖ.

• 4. Изменилась компоновка станков. Так, шпиндели токарных станков расположены, как правило, в отдельном корпусе передней бабки, вследствие чего возможны се минимальные исполнительные размеры и высокая жесткость. Симметричная форма бабки обеспечивает термическую стабильность и минимальное изменение размеров при повышении температуры. Переднюю опору шпинделя выполняют на спаренных подшипниках с предварительным натягом, что обеспечивает повышенную точность. Независимая смазка подшипников шпинделя снижает потери на трение и увеличивает их долговечность.
• 5. В конструкциях станков предусмотрена установка автоматических измерительных систем с обратной связью. При этом измерительные элементы нс вносят возмущения в процесс обработки. По результатам измерения параметров инструмента и обработанных поверхностей заготовок деталей система определяет величину необходимой поднастройки станка и выдает сигнал для ее осуществления. Скорость опроса системой управления чувствительных элементов высока. Как правило, шаг опроса не превышает 0,001 с, такт управления положением в пространстве менее 0,3 мс. Современные модели оборудования выполняют таким образом, что реальный процесс обработки через систему измерения и сопоставления его в компьютере с заданным процессом выносится в удобном для оператора виде на дисплей. Это позволяет визуально наблюдать за процессом обработки.
• 6. Внешний вид оборудования с ЧПУ отличается от традиционного — его формы упростились, приблизившись по возможности к однообъемным. Как правило, по внешнему виду стало трудно визуально определить, для какого вида обработки предназначено данное оборудование. Примеры однообъемного исполнения представлены на рис. 21.10.

Рис. 21.10. Внешний вид однообъемного оборудования с ЧПУ:

а — компактная панелегибочная машина; б — токарный станок; в — фрезерный станок Указанные изменения обусловлены не столько эстетическими причинами, сколько функциональными и эргономическими. Во-первых, зоны обработки во многих процессах целесообразно было закрыть сдвижными створками, так как функционирование происходит в автоматическом режиме без участия оператора. Во-вторых, оказалась необходимой защита окружающей зоны у оборудования от вылета стружки, разбрызгивания и испарения СОЖ, поскольку существенно увеличились интенсивность режимов обработки и охлаждения. Положительное следствие использования закрытой зоны — снижение уровня шума, исходящего из области обработки, повышение безопасности персонала.

7. Более эффективно используются принципы агрегирования и унификации, что создает предпосылки для появления станков для комплексной обработки (многооперационных центров) и интегрированных систем комплексной автоматизации на основе станков с ЧПУ и централизованного управления от ЭВМ.