Данным материалом мы открываем серию статей, посвященных, на первый взгляд, простому вопросу, а именно выбору вертикального фрезерного обрабатывающего центра. Казалось бы, чего проще, определи максимальные размеры обрабатываемой детали, подбери станок с подходящими перемещениями и рабочим столом и готово, выбор сделан. По факту же, учитывая разнообразие предлагаемых вариантов на современном рынке станков, в данном процессе будущему пользователю предстоит принять целый ряд решений, а именно: параметры шпинделя (частота, мощность, тип привода, тип крепления инструмента), тип направляющих, необходимость подачи СОЖ через шпиндель, наличие щупов для инструмента и деталей, и много чего еще. Но обо всем по порядку. Сегодняшняя статья будет вводной и посвящена определению с общими понятиями о вертикальных фрезерных обрабатывающих центрах с ЧПУ – то есть ориентирована на тех, кто только начинает знакомиться с данным типом оборудования.
Для начала определимся с терминологией, что вообще такое - вертикальный фрезерный обрабатывающий центр. «Вертикальный» – здесь все ясно, шпиндель расположен вертикально. «Обрабатывающий центр»: термин означает, что перед нами станок, который может выполнять различные операции (фрезерование, сверление, растачивание, а иногда и интерполяционное точение) в автоматическом режиме, в т.ч. с автоматической сменой инструмента.
Похожие внешне вертикальные обрабатывающие центры могут различаться по своей компоновке.
Отметим основные типы:
- С крестовым столом. Самая распространенная конструкция для станков средних размеров. Стол перемещается по двум осям в плоскости, шпиндельная бабка перемещается вертикально.
К примеру, такую компоновку имеют вертикальные обрабатывающие центры KAFO.
- С подвижным столом и стойкой. Стол перемещается по одной продольной оси, шпиндельная бабка – по двум осям, поперечно и вертикально.
- С неподвижным столом и подвижной стойкой. Стойка и шпиндельная бабка перемещаются по 3 осям, стол – неподвижен. От первых двух схем отличается повышенной жесткостью и грузоподъемностью стола.
- Портальная компоновка. Шпиндельная бабка установлена на траверсе и двух опорных колоннах, вместе образующих портал – жесткая симметричная конструкция, существенно снижающая возможные деформации и отклонения при высоких нагрузках.
В качестве примера, предлагаем рассмотреть портальные фрезерные центры KAFO.
У каждой компоновки есть свои плюсы, и в будущих выпусках мы обязательно разберем эту тему подробно. Сегодня достаточно отметить, что компоновка закладывается конструктором, исходя из нагрузок, рабочих перемещений, размера стола, массы заготовки и т.д. Поэтому в подавляющем большинстве случаев, выбирая модель станка с подходящими рабочими параметрами, вы выбираете оптимальный по компоновке вариант.
Разберем конструкцию вертикального обрабатывающего центра на примере самой распространенной компоновки с крестовым столом:
Во-первых оси:
Z – вертикальное перемещение шпиндельной бабки. Тут необходимо отметить, что абсолютно для всех металлорежущих станков ось Z направлена вдоль шпинделя. Станок фрезерный, токарный, сверлильный – неважно, ось Z по шпинделю
X – продольное перемещение стола
Y – поперечное перемещение стола
Основные узлы станка:
1 - Основание (станина) станка
2 - Стойка (колонна)
3 - Стол
4 - Шпиндель
5 - Магазин инструментов
6 - Направляющие
Основание и стойка, составляющие станину станка – основополагающие узлы, от их качества напрямую будет зависеть жесткость, точность и долговечность работы всего станка. При их конструировании используются современные численные методы, позволяющие смоделировать различные нагрузки и термические деформации в различных режимах работы станка. В подавляющем большинстве случаев станина выполняется из чугуна. Чугун обладает великолепными характеристиками воспринимаемой статической нагрузки и вибропоглощения.
Стол станка, шпиндельная бабка перемещаются по направляющим. Направляющие могут быть следующих типов:
- направляющие качения с роликовыми и шариковыми каретками
Такими направляющими, к примеру, оснащены фрезерные станки Sunmill, серии JHV.
- направляющие скольжения
Применены на вертикальных фрезерных центрах Sunmill серии JMV.
Направляющие станка, плюсы и минусы конкретного типа – отдельная тема, будет освещена в дальнейших статьях.
Привод перемещений по осям реализован следующим образом: эл.мотор вращает ходовой винт, который перемещает гайку, закрепленную на суппорте стола/шпиндельной бабки.
Соединение мотора с ходовым винтом может быть прямым через муфту (наиболее предпочтительная схема).
либо через шкив и ремень
Шпиндель станка – пожалуй, самый важный узел станка, непосредственно влияющий на конечную точность обработки и качество поверхности. В шпинделе закрепляется режущий инструмент, шпиндель воспринимает все возникающие при резании нагрузки. И соответственно, его возможные погрешности (биение, вибрация, отгиб) сразу сказываются на конечном результате обработки.
По способу передачи вращения от мотора на шпиндель выделяют следующие схемы:
- привод с ременной передачей. Вращение от мотора передается на шпиндель через шкив и ремни. Наиболее простая схема, но имеет и свои преимущества: экономичность, вибрации и температура от электромотора не передаются на шпиндель. С другой стороны, такая схема имеет ограничения по передаваемым крутящим моментам, частоте вращения, скорости разгона и торможения
- прямой привод. Вал электромотора соединен со шпинделем напрямую через муфту. Здесь частично устранены недостатки предыдущей схемы, но узел получается дороже. На сегодняшний день это самая распространённая конструкция
- мотор-шпиндель. Тело шпинделя является ротором электромотора. Обеспечиваются высокие скорости вращения, минимальное время на разгон и торможение. Но стоимость станка растет соответственно, в том числе и затраты в случае ремонта гораздо выше
- привод с зубчатым редуктором. Передача от электромотора на шпиндель происходит через зубчатый редуктор. В результате, за счет передаточных отношений и зубчатого зацепления, могут быть получены гораздо большие крутящие моменты. Используется там, где не нужны высокие скорости, но при этом требуются большие усилия при обработке
К примеру, фрезерный станок KAFO DL-137, оснащенный зубчатым редуктором привода шпинделя, способен развивать крутящий момент до 430 Нм. Для сравнения, аналогичные станки с прямым приводом выдают в пределах 50 Нм.
Работой станка управляет система Числового Программного Управления (ЧПУ), которая задает перемещение каждого подвижного узла в соответствии с программой, управляет работой приводов и периферийных устройств. Не будем углубляться в алгоритмы работы ЧПУ, коснемся лишь вопроса, как ЧПУ определяет текущее положение инструмента в пространстве.
Здесь есть 2 основных способа измерения:
- Косвенный. На валу привода установлен круговой датчик обратной связи (ДОС), который отслеживает угол поворота вала. Зная угол поворота и шаг ходового винта, можно рассчитать линейное перемещение по контролируемой оси. Именно рассчитать, т.е. получаем не фактическое, а расчетное значение, при такой схеме не учитывается износ и люфты шарико-винтовой пары (ШВП), температурные удлинения валов. В результате, со временем фактическое положение и расчётное будут все больше различаться. Т.е. будет расти погрешность обработки.
- Прямой. Отсчетные устройства (оптические или магнитные линейки) установлены непосредственно на подвижных суппортах станка. В данном случае нет «посредников» в виде круговых датчиков и шарико-винтовых пар, определение координаты выполняется не расчетами, а напрямую. Система получается независимой от люфтов и температурных удлинений ходовых винтов.
Как видите, современный обрабатывающий центр — это целый комплекс узлов, механизмов, электронных устройств, а современный рынок предлагает пользователю большое разнообразие вариантов. Чтобы сделать правильный выбор необходимо, для начала, разбираться в основных понятиях, чему и была посвящена сегодняшняя статья. Она была вводной и рассчитана на начинающих специалистов. В дальнейших выпусках мы коснемся нюансов по наиболее важным составляющим данного типа станков.