Новая папка / Тема 13

ТЕМА 13. МНОГОЦЕЛЕВЫЕ СВЕРЛИЛЫЮ-ФРЕЗЕРНО-РАСГОЧНЫЕ СТАНКИ. КОНСТРУКЦИИ И ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ [1]

Многоцелевые сверлильно-фрезерно-расточные станки (МС) предназначены для ком­плексной обработки корпусных, плоских и других деталей произвольной формы и пред­ставляют собой высокоавтоматизированное металлорежущее оборудование с ЧПУ, обеспе­чивающее производительную обработку в по­луавтоматическом или автоматическом режи­ме. Основной отличительной особенностью

Рис. 13.1. Структура многоцелевого станка

МС является обеспечение высокопроизводи­тельного и точного выполнения процесса ре­зания при сверлильных, расточных и фрезер­ных работах. В ряде случаев на МС могут вы­полняться и другие виды обработки, напри­мер, точение, шлифование, строгание.

По сравнению с традиционными станка­ми сверлильно-фрезерно-расточной группы МС характеризуются высоким уровнем авто­матизации цикла обработки вследствие широ­ких возможностей устройств ЧПУ и оснаще­ния системами автоматической смены инстру­ментов и заготовок.

На рис. 13.1. представлена структура МС, в состав которого помимо собственно станка входят дополнительные системы и уст­ройства, обеспечивающие автоматизацию ос­новных и вспомогательных циклов обработки. Сплошными рамками очерчены элементы, обязательно входящие в состав МС.

В табл. 13.1 приведена классификация МС по технологическим признакам. Более подробно о технологических возможностях МС .

Для МС основного исполнения точность относительного положения рабочих органов и траектории их перемещения, а также обраба­тываемых поверхностей, соответствуют требо­ваниям к точности основной массы деталей машиностроения. Прецизионные МС по гео­метрическим параметрам и точности позицио­нирования близки к координатно-расточным станкам соответствующего класса точности.

Таблица 13.1. Основные классификационные группы МС

Технологический признак	Классификационные группы
Интеграция видов обработ­ки	Сверлильно-фрезерно- расточные 2) Фрезерно-расточные 3) Сверлильно-фрезерные 4) Сверлильно-фрезерно-расточные с возможностью других видов обработки (точение, шлифование т.д.)
Концентрация обработки	С единичными инструмен­тами С многошпиндельными го­ловками Комбинированные с еди­ничными инструментами и многошпиндельными го­ловками
3)Степень уни­версальности	1) Для обработки с одной стороны 2) Для обработки с четырех сторон 3) Для обработки с пяти сто­рон и под различными углами
4)Точность	Основного исполнения Прецизионные

Основные типы компоновок МС, их особенности и область применения приведены в табл. 13.2. Значительная часть МС имеет одностоечную компоновку с неподвижным крестовым или продольно-подвижным бескон­сольным столом. При этом, как правило, ис­пользуется стойка портального типа, по кото­рой вертикально перемещается шпиндельная бабка с жестким неподвижным шпинделем.

Разделение перемещений между столом и стойкой облегчает достижение высокой точно­сти траекторий и координатных перемещений рабочих органов благодаря отсутствию на всей длине перемещения консольного расположе­ния стола относительно станины и уменьше­нию взаимного влияния его перемещений при крестовой конструкции. Имеется возможность неограниченного увеличения длины стола и его продольного перемещения в вертикальных станках для длинномерных деталей.

Ограничение перемещений стола по ли­нейным координатам улучшает условия сбора и отвода стружки, стыковки с устройствами автоматической смены обрабатываемых дета­лей. В связи с этим даже при небольших раз­ мерах рабочей поверхности стола применяют компоновки с крестовой стойкой, а в крупных станках - компоновки с неподвижным или перемещающимся по одной линейной коор­динате столом.

В МС с поворотным вокруг двух осей координат столом также используют компо­новку с неподвижным или перемещающимся только по одной координате столом. В станках с шириной стола до 400 - 500 мм широко ис­пользуют компоновку с крестовым суппортом на вертикальных направляющих стойки, ана­логичной компоновки широкоуниверсальных фрезерных станков. Компоновку с поворот­ным вокруг горизонтальной оси столом с вер­тикальной рабочей поверхностью также ис­пользуют в МС небольших размеров, что обеспечивает надежный отвод стружки и СОЖ, удобство выполнения токарной обра­ботки.

Двухстоечную компоновку применяют в станках нормальной точности для обработки крупных деталей и в прецизионных станках всех типоразмеров. Станки с подвижным пор­талом имеют существенно меньшую массу и занимают меньшую площадь, чем станки с неподвижным порталом и подвижным столом.

Система автоматической смены инстру­ментов характеризуется наибольшими разме­рами автоматически сменяемых инструментов, вместимостью инструментального магазина и быстродействием процесса смены (временем "от реза до реза"). Система автоматической смены обрабатываемый заготовок характеризу­ется размерами рабочей поверхности столов- спутников, вместимостью пристаночного на­копителя спутников и временем, затрачивае­мым на цикл смены.

Таблица 13.2. Основные типы многоцелевых сверлильно-фрезерно-расточных станков

Тип и схемы станков	Основные компоновочные и кон­структивные особенности	Область применения
Горизонтальные с крестовым столом 1)	Станки с горизонтальным шпинделем, смонтирован­ным в шпиндельной бабке, имеющей вертикальное (а) или горизонтальное (б) пе­ремещение по направляю­щим неподвижной стойки. Поворотный вокруг верти­кальной оси стол имеет кре­стовое перемещение в гори­зонтальной (а) или верти­кальной (б) плоскости	Станки с шириной стола преимущественно 200 1250 мм (а) и до 500 мм (б). Используются для ком­плексной обработки кор­пусных деталей с четырех сторон и под разными угла­ми в одной плоскости. От­личаются сравнительно не­большими габаритными размерами и массой
Горизонтальные с крестовой стойкой 2)	Станки с горизонтальным шпинделем, смонтирован­ным в шпиндельной бабке, имеющей вертикальное пе­ремещение по направляю­щим крестово-подвижной в горизонтальной плоскости стойки. Неподвижный пово­ротный или поворотно- наклонный стол	Станки с шириной стола преимущественно свыше 800 мм. Используются для комплексной обработки средних и крупных корпус­ных деталей, в том числе с пяти сторон и под различ­ными в пространстве угла­ми. Улучшенные условия стыковки с устройствами автоматической смены заго­товок и встраивания в ГПС
Горизонтальные с продольно- подвижным столом 3)	Станки с горизонтальным шпинделем, смонтирован­ным в шпиндельной бабке, имеющей вертикальное пе­ремещение по направляю­щим поперечно-подвижной стойки. Продольно- подвижный поворотный (а) или наклонно-поворотный (б) стол. Станки типа (а) могут оснащаться поворот­ными или наклонно- поворотными шпиндельны­ми бабками	Станки с шириной стола преимущественно 500 1250 мм. Используются для комплексной обработки средних корпусных деталей. Улучшенные условия для прецизионной обработки, в том числе с пяти сторон и под различными углами в пространстве. При оснаще­нии многошпиндельными головками используются в гибком серийном производ­стве. Улучшенные условия для встраивания в ГПС
Вертикальные с крестовым столом 4)	Станки с вертикальным шпинделем, смонтирован­ным в шпиндельной бабке, имеющей вертикальное пе­ремещение по направляю­щим неподвижной стойки. Стол имеет крестовое пере­мещение в горизонтальной плоскости. Может оснащать­ся наклонным поворотным вокруг горизонтальной оси столом	Станки с шириной стола до 1000 мм. Используются для комплексной обработки плоских деталей. При осна­щении поворотным столом позволяют обрабатывать детали произвольной фор­мы, в том числе типа тел вращения, пол произволь­ными углами в вертикаль­ной плоскости

Продолжение табл. 13.2

Тип и схемы станков	Основные компоновочные и кон­структивные особенности	Область применения
Вертикальные с крестовой стойкой 5)	Станки с вертикальным шпинделем, смонтирован­ным в шпиндельной бабке, имеющей вертикальное пе­ремещение по направляю­щим кресгово-подвижной в горизонтальной плоскости стойки. Неподвижный стол с горизонтальной рабочей поверхностью. Оснащаются поворотными вокруг гори­зонтальной оси или поворотно-наклонными столами	Станки с шириной стола до 1000 (1250) мм. Использу­ются для комплексной об­работки плоских деталей. При оснащении поворот­ным или поворотно-наклонным столом позво­ляют обрабатывать детали произвольной формы, в том числе тел вращения, под произвольными углами в вертикальной плоскости или пространстве. Улучшенные условия стыковки с АСЗ и встраивания в ГПС
Вертикальные двухстоечные с подвижным столом 6)	Станки с вертикальным шпинделем, смонтирован­ным в шпиндельной бабке или ползуне, имеющих кре­стовое пересечение на не­подвижном портале. Про­дольно подвижный стол. Станки оснащают угловыми и поворотными шпиндель­ными головками	Станки с шириной стола 500 - 5000 мм. Используют­ся для комплексной обра­ботки средних и крупных, в том числе длинномерных деталей произвольной фор­мы. При оснащении шпин­дельными головками воз­можна обработка с пяти сторон и под различными в пространстве углами
Вертикальные двухстоечные с подвижным порталом 7)	Станки с вертикальным шпинделем, смонтирован­ным в шпиндельной бабке или ползуне, имеющих кре­стовое пересечение на про­дольно-подвижном портале. Неподвижный стол-плита. Станки оснащаются угловы­ми и поворотными шпин­дельными головками	Станки с шириной стола 1000 - 5000 мм. Использу­ются аналогично станкам с подвижным столом. Обес­печивают обработку деталей большой массы и в условиях ограниченных производст­венных площадей, однако с умеренными режимами обработки

Основным параметром типоразмерных рядов многоцелевых станков (ГОСТ 27491-87) принята ширина рабочей поверхности стола (стола-снутника), которая для основной массы выпускаемых станков имеет пределы 200 - 2000 мм с коэффициентом геометрической прогрессии ф = 1,25.

Характерной особенностью МС является варьирование по заказу в довольно широких пределах размерных, силовых и скоростных параметров, вместимости устройств автомати­ческой смены инструментов и обрабатываемых заготовок, что обеспечивает их большую при- спосабливаемость к конкретным условиям заказчика. Для реализации таких возможно­стей широко используется блочно-модульный принцип построения МС.

Величины координатных перемещений рабочих органов проектируют таким образом, чтобы обеспечить обработку наибольших уста­навливаемых на стол деталей и возможность выхода инструмента за пределы обрабатывае­мых поверхностей. В крупных вертикальных станках для возможности обработки боковых сторон детали с помощью угловых головок перемещения рабочих органов во многих слу­чаях увеличены.

Несущая система МС состоит из стани­ны, одностоечной или двухстоечной колонны и базовых деталей стола и шпиндельной баб­ки. Высокие требования к производительности и точности обработки вызывают необходи­мость обеспечения повышенной жесткости несущей системы. В то же время существует регламентация высоты загрузки столов- спутников на станок. В этих условиях обеспе­чение требуемой жесткости связано не только с оптимальным конструированием элементов несущей системы, но и с рациональным выбо­ром компоновки станка.

В станках с крестовым столом или кре­стовой стойкой необходимость использования промежуточных базовых деталей (салазки сто­ла или стойки) приводит к уменьшению высо­ты станины, однако при небольшом переме­щении стола возможно использование цельной станины, что повышает ее жесткость. Для по­вышения жесткости станины выполняют с развитым оребрением и уменьшенными по количеству и размерам окнами для выбивки стержней. В некоторых случаях стержни вооб­ще не выбивают, что способствует повышению демпфирующей способности несущей систе­мы.

Детали несущей системы МС, как прави­ло, выполняют коробчатой прямоугольной формы с сечениями, обеспечивающими наи­большие моменты сопротивления и инерции. Широкое распространение в МС получили стойки портального типа, обеспечивающие рациональное распределение металла но усло­виям сопротивления различным видам нагру- жения и симметричность тепловых деформа­ций.

В МС используют три основных типа направляющих: качения, комбинированные - скольжения по основным несущим граням и качения по боковым граням, скольжения но всем граням. Наибольшее распространение имеют направляющие качения с роликовыми опорами.

Эффективное демпфирование колебаний при использовании направляющих качения достигается с помощью дополнительных демпфирующих элементов, например, распо­ложенных между опорами качения ползушек с карманами глубиной до 0,03 мм, в которые подается масло, образующее демпфирующую пленку.

В комбинированных направляющих, как правило, скольжение сохраняют но несущим основную нагрузку граням, причем нагрузка на эти поверхности может быть частично снята с помощью подпружиненных роликов или роликовых опор.

Шпиндельный узел МС является слож­ным многофункциональным механизмом, который служит не только для вращения, но и автоматической замены, зажима и угловой ориентации инструмента. Наибольшее распро­странение в МС получили невьщвижные шпиндели на подшипниках качения. Под­шипниковые опоры шпинделя монтируют либо в корпусе шпиндельной бабки, либо в вынесенном вперед стакане с фланцем для его крепления на корпусе бабки. Конструкция шпинделя в съемном стакане позволяет соз­дать на единой базе различные модификации шпиндельных бабок по размеру и конфигура­ции поверхностей для закрепления инструмен­та или деталей, диапазону частот вращения, с изменяемым положением оси шпинделя, а также облегчает монтаж и ремонт шпиндель­ных узлов.

Рис. 13.2. Шпиндельный узел многоцелевого станка

На рис. 13.2 показан шпиндельный узел МС. Инструментальная оправка базирует­ся в конусном отверстии шпинделя с конусно­стью 7 : 24 и зажимается с помощью рычаж­ного или цангового механизма усилием, созда­ваемым пакетом тарельчатых пружин, а отжим осуществляется с помощью гидроцилиндра. Крутящий момент на инструментальную оп­равку передается от шпинделя через их кон­тактирующие конусные поверхности и через шпонки на торце шпинделя, взаимодействую­щие с пазами на фланце оправки.

Механизм угловой ориентации шпинде­ля, необходимый для работы механизма смены инструментов, может осуществляться с меха­нической фиксацией заданного углового по­ложения или с помощью датчиков без механи­ческой фиксации. В корпусе шпиндельной бабки смонтирован также механизм главного привода, зубчатый подвижный блок которого зацепляется с одной из закрепленных на шпинделе шестерен.

В быстроходных шпинделях МС особое значение приобретает термостабилизация шпиндельного узла и механизмов привода главного движения, расположенных, как пра­вило, в одном корпусе со шпинделем. В пре­цизионных МС часто применяют специальные системы термостабилизации с холодильными машинами. Такие системы имеют отдельный от общей системы смазки бак и насос, с по­мощью которого масло(рабочим телом могут бьпъ также вода или другие жидкости) из теп­лообменника холодильной машины подается к шпиндельному узлу и другим механизмам, являющимся активными источниками тепло­выделения или подвергающимся нежелатель­ным температурным воздействиям. Теплота отбирается от шпиндельного узла путем про­пускания масла по нескольким продольным каналам или винтовому каналу в гильзе шпин­деля или в охватывающем ее стакане.

Для зажима инструментальных оправок в шпинделе служит механизм, расположенный в сквозном осевом отверстии. Оправка, захваты­вается за грибообразный ввернутый в ее зад­ний торец хвостовик шариковыми или рычаж­ными замками. Усилие зажима создается с помощью пакета тарельчатых пружин, а раз­жима - с помощью гидравлического цилиндра, смонтированного на заднем торце шпиндель­ного устройства.

При повышенных требованиях к точно­сти и стабильности установки инструмента в шпиндель ными замками. Усилие зажима создается с помощью пакета тарельчатых пружин, а раз­жима - с помощью гидравлического цилиндра, смонтированного на заднем торце шпиндель­ного устройства.

При повышенных требованиях к точно­сти и стабильности установки инструмента в шпиндель хвостовики оправок при смене очищаются, преимущественно путем обдува воздухом.

В приводах главного движения исполь­зуются регулируемые электродвигатели посто­янного или переменного тока в сочетании с механическими коробками передач с неболь­шим (два-четыре) количеством ступеней с прямой передачей вращения на шпиндель при высоких скоростях. На рис 13.3 показана конструктивная схема главного привода МС средних размеров.

Перемещения рабочих органов осуществ­ляются от регулируемого высокомоментного электродвигателя постоянного или перемен­ного тока. Наиболее широко в приводах пря­молинейного перемещения применяются ша­риковые или роликовые передачи винт-гайка качения. Зубчато-реечные и червячно-реечные механизмы используются в случаях линейного перемещения рабочего органа не менее, чем на 4000 - 5000 мм; червячные и зубчатые пе­редачи - в приводах поворотных столов.

Рис. 13.3. Главный привод многоцелевого станка

В последнее время получают распростра­нение быстрооходные МС с линейными двига­телями в приводах перемещения без механиче­ских передач, обеспечивающие скорости быст­рых перемещений рабочих органов в пределах 60 - 100 м/мин.

Системы автоматической смены инстру­ментов (АСИ) являются одним из неотъемле­мых средств автоматизации цикла работы МС. В состав устройств АСИ входят инструмен­тальные магазины, являющиеся накопителем инструментальных оправок, блоков режущих инструментов или инструментальных шпинде­лей и автооператоры, предназначенные для съема и установки инструментов в шпинделе (суппорте) станка или магазине.

Автоматическая смена инструментальных оправок в шпинделе обычно проводится с помощью автооператоров двухплечим рыча­гом, имеющим на концах захваты, стыкую­щиеся с V-образной канавкой фланца оправки.

В устройствах АСИ с неподвижно уста­новленным автооператором для возможности расположения инструментального магазина в удобном по различным конструктивным при­чинам месте применяют транспортные пере­гружатели. При расположении магазина на стойке перегружатели обычно выполняют в виде поворотных на 90' или подвижно- поворотных кантователей, устанавливающих инструмент в позицию смены.

Когда магазин расположен отдаленно от шпиндельной бабки, то применяют перегружа­тель в виде подвижной на специальных на­правляющих каретки, на которой смонтирова­ны механизмы захвата и ориентации инстру­мента.

Широко применяются традиционные системы АСИ с двумя основными типами инструментальных магазинов: дисковыми (барабанными) и цепными. Дисковые, или барабанные, магазины достаточно просты по конструкции, однако с увеличением количест­ва инструментов их диаметр растет; поэтому их вместимость редко превышает 40 инстру­ментов.

Предназначенные для обработки постоян­ной номенклатуры деталей станки можно осна­щать системами автоматической смены много­шпиндельных коробок либо параллельными системами единичных инструментов и много­шпиндельных коробок. В последнем случае станок имеет либо два раздельных шпиндель­ных узла, либо один шпиндель, но с различны­ми посадочными местами для различных типов инструментальных устройств: одиночные ин­струменты устанавливаются в отверстие шпин­деля, а головки - на переднем торце шпин­дельной бабки, причем шпиндель используется для их центрирования и привода.

Затраты на смену инструментов оцени­ваются по времени "от реза до реза", которое включает время отвода отработавшего инстру­мента из позиции окончания обработки в по­зицию смены, собственное время автоматиче­ской смены инструментов и время подвода следующего инструмента в позицию начала следующего перехода обработки. Собственное время автоматической смены инструментов, которое характеризует быстродействие систе­мы, включает в себя время работы механизмов устройства АСИ, не совмещенное с другими рабочими циклами станка.

Система автоматической смены заготовок (АСЗ) помимо повышения производительно­сти станков способствует возможности работы МС без постоянного присутствия оператора.

В связи с многообразием формы загото­вок обычно проводится смена столов- спутников, на которых эти заготовки предва­рительно закрепляются. На рис. 13.4 пока­заны стандартизованные столы-спутники для горизонтальных (а) и вертикальных (б) МС. Первые имеют отношение ширины к длине, равное 1 : 1 или 1 : 1,25; вторые, как правило, 1 : 1,6; 1 : 2,0 и 1 :2,5.

Рис. 13.4. Столы-спутники многоцелевого станка

Рис. 13.5. Основные схемы компоновки загрузочных устройств многоцелевых станков:

а - поворотного; б - с двумя раздельными платформами по разные стороны стола; в - с платформами с передней стороны станка; г - с платформами с боку станка

Рабочая поверхность столов-спутников снабжена крепежными отверстиями или Т-образными крепежными пазами для закреп­ления детали и технологической оснастки. Нижняя базовая плоскость, защищенная от повреждений выступами, служит для установ­ки, а цилиндрические или конические базовые отверстия - для ориентации стола-спутника на столе станка. Для ориентации и выверки дета­ли или технологической оснастки на столах- спутниках выполняются центрирующее и по­верочные отверстия, упорные планки или на­правляющие пазы прямоугольного сечения. Последние обычно используют в столах-спутниках с Т-образными пазами и распола­гают вдоль направления Т-образных пазов или (и) перпендикулярно им. Для зажима стола- спутника на станке служат нижние Т-образные пазы.

На рис. 13.5 показаны основные схе­мы компоновки загрузочных устройств МС. При поворотном загрузочном устройстве (рис. 13.5, а) для смены столов-спутников стол станка перемещается по одной или двум коор­динатам в позицию смены деталей, в которой он стыкуется с загрузчиком, после чего на свободную платформу загрузчика со станка перемещается спутник с обработанной дета­лью. Затем загрузчик поворачивается на 180° и с другой его платформы на станок перемеща­ется спутник с новой деталью. Такие загрузоч­ные устройства могут быть выполнены в виде единого компактного узла и устанавливаться с различных сторон стола, однако зона, пере­крываемая поворотными загрузчиками, доста­точно велика и поэтому площадь, занимаемая станком, увеличивается. Загрузочные устройст­ва с раздельными платформами, расположен­ными с двух противоположных сторон от сто­ла станка (рис. 13.5, б), обычно применяют в достаточно крупных МС с шириной столов- спутников не менее 1000 мм. Обе эти схемы используют также в МС с неподвижным по линейным координатам столом.

Загрузочные устройства с платформами, расположенными с одной стороны стола (рис. 13.5, в, г), широко используют в горизон­тальных и, особенно в вертикальных станках. Стол поочередно подходит к каждой из не­подвижных платформ загрузочного устройства. При неподвижных или с короткими ходами столах применяют загрузочные устройства с подвижными перпендикулярно направлению загрузки столов-спутников платформами. За­грузочные устройства оснащают механизмами перемещения (гидроцилиндрами, винтовыми или цепными передачами) столов-спутников.