CLASSIFICATION OF HORIZONTAL MACHINING CENTERS ON STRUCTURE CRITERIA

Plamen UGRINOV

Abstract: Single-spindle horizontal machining centers are classified on structure criteria. It is shown, that most preferable structures are as following: T-bed type, converted T-bed type, non-movable working table, „Box-in-Box” –type, for dry and near-dry machining. Structures are 4- and 5- axis, not often 3-axis.

Key Words: horizontal machining centers, structure

КЛАСИФИКАЦИЯ ПО КОМПОНОВЪЧЕН ПРИЗНАК НА ХОРИЗОНТАЛНИ ОБРАБОТВАЩИ ЦЕНТРИ

Пламен УГРИНОВ

Резюме: Извършена е класификация на съвременните компоновки на едновретенните хоризонтални обработващи центри. Показано е, че най-често използваните компоновки са следните: Т-образни, обърнати Т-образни, с неподвижна маса, „Box-in-Box”, със странично разположение на вретенната кутия, за суха и квазисуха обработка. Прилагат се и други компоновки. Изпълняват се 4- и 5-координатни, много рядко- 3-координатни.

Ключови думи: хоризонтални обработващи центри, компоновка

1. ВЪВЕДЕНИЕ.

Хоризонталните обработващи центри (ХОЦ) са исторически първите обработващи центри (ОЦ). Демонстрацията на първия ОЦ- Milwaukee-Matic II на Kearney&Trecker (САЩ)- се е състояла през 1959 г. [1]. Възможностите за автоматична смяна на инструментите (АСИ) и заготовките (АСЗ), за цялостна 4- и 5-странна обработка на призматично-корпусни детайли (ПКД) ги прави предпочитан вид оборудване с ЦПУ. За задоволяване на разнообразните нужди на пазара бяха разработени различни компоновки ХОЦ. През последното десетилетие се забеляза тенденция към нарастване на интереса към високоскоростната обработка (HSM) и често съчетаваните с нея суха, квазисуха и твърда обработка, към значително повишаване на точността обработката с едновременно нарастване на производителността. Това постави нови изисквания към архитектурата на машините и в резултат се появиха нови компоновки, като същевременно старите се доразвиха.

Тъй като компоновката в много голяма степен определя техническите възможности на машината, въпросът за класификацията на компоновките на ХОЦ е с особена важност и актуалност за теорията и практиката на металорежещите машини с ЦПУ.

2. МЕТОДИКА НА КЛАСИФИКАЦИОННИЯ АНАЛИЗ.

Класификационният анализ обхваща съвременните едновретенни ХОЦ, които фирмите предлагат в производствените си листи към момента на изследването. Разглеждат се както водещи фирми, така и такива с по-слабо изразено присъствие на пазара от различни страни и региони на света- Европейски съюз, САЩ, Япония, Русия, Република Корея, Тайван. За детайлизиране на търсенето са използвани информационните масиви за фирми-производители в уеб-сайтовете [1] и [2]. Информацията за ХОЦ е снемана online от фирмените уеб-сайтове, като в редица случаи тя е допълвана чрез фирмени проспекти, реализирани върху хартиен носител.

Извършеният анализ позволява компоновките да се разделят на следните големи класификационни групи, разгледани в следващите т.т. 3-9.

3. Т-ОБРАЗНИ КОМПОНОВКИ.

3.1. 4-координатни компоновки.

Компоновките с Т-образно тяло са класически за ХОЦ. В съответствие с тях се изграждат повечето от произвежданите модели. Прилагат се предимно при машини от среден типоразмер, като в отделни случаи се използват и при долния сегмент на големия типоразмер. Общата философия на тези компоновки е изразена най-добре в 4-координатната компоновка, показана на фиг.1а [3-16]. Движението на заготовката е съсредоточено само върху една транслационна ос, изпълнявано от шейната Х. Другите две транслационни движения се извършват от работните органи, носещи инструмента: колоната се движи по ос Z, а вретенната/предавателната кутия (наричана за краткост по-нататък вретенна кутия)- по ос Y. Колоната представлява затворена ососиметрична рамка, към която са монтирани направляващите по ос Y. За разлика от вертикалните ОЦ, при които вретенната кутия е извън колоната (за да се осигури позициониране на вретеното в произволна точка от работната повърхнина на масата), при ХОЦ вретенната кутия е вградена в колоната, което се прави с цел вретеното да не навлиза в обема над работната повърхнина на масата при координатните му движения по осите Х и Y. Върху шейната Х е разположена въртяща маса (ВМ) по ос В, която в повечето случаи е NC-управляема, но може да бъде и индексираща. Чрез нея се осигурява четиристранна обработка, която се оказва достатъчна за повечето детайли от групата на ПКД. Компоновката е удобна за реализиране на АСЗ, най-често във вид на челно разположена двупалетна станция; в този случай върху ВМ се установява палет.

При по-тежките машини с цел избягване на честото придвижване на големи маси, каквито са колоната и вретенната кутия, се добавя една спомагателна ос W, успоредна на ос Z, но компоновката остава 4-координатна. Движението по ос W се извършва от колоната, а оперативните движения по ос Z - от пинолата на вретеното (фиг.1б) [12,17,18].

Компоновката на фиг.1в е с разширение за обработване на голямогабаритни заготовки, които се установяват върху правоъгълната работна маса. В този случай може да се реализира само 3-координатна обработка. При заготовки, вписващи се в габарита на вградената ВМ, се изпълнява пълноценна 4-координатна обработка [18].

3.2. 5-координатна компоновка.

Вретеното се изпълнява наклоняващо се по ос А, с което кръговите оси стават две- по оси А и В- фиг.2.5[12].

4. ОБЪРНАТИ Т-ОБРАЗНИ КОМПОНОВКИ.

Това са сравнително нови компоновки (фиг.3 и фиг.4). При тях движението по ос Z се изпълнява от шейната, носеща заготовката. Използва се при машините среден типоразмер. Производителите ги предпочитат все по-често, тъй като имат съществени предимства, свързани с АСИ и АСЗ. Отсъствието на координатно преместване на колоната по ос Z способства за намаляване на времето „от стружка до стружка” при АСИ, а наличието на незаето пространство около шейната Z (челно и две странични) дава свобода за различни конструкторски реализации на системата за АСЗ.

4.1. 4- и 3-координатни компоновки.

Компоновката с ВМ по ос В е 4-координатна и се реализира при редица ХОЦ (фиг.3а) [4,7,13,17,19,20,21,22]. В противовес на нея е показаната на фиг.3б [13] компоновка, в която ВМ отсъства. Така е реализиран редкият случай в практиката- 3-координатен ХОЦ.

4.2. 5-координатни компоновки.

Изпълняват се в три варианта. При първите два (фиг.4а и б) петата координата се реализира от вретеното. На фиг.4а то е наклоняващо се [17], а на фиг.4б е във вид на ъглова вретенна глава [13]. И в двата случая положението на вретеното от хоризонтално може да се променя до вертикално. По-универсалното решение е това на фиг.4а, изпълнява се обикновено като NC-координата и се използва по-често. Ъгловата вретенна глава на фиг.4б често се предлага в индексиращ вариант, което автоматично превръща машината в 4+1 координатна.

При третия вариант кръговите оси са реализирани от комплект ВМ+НМ (НМ-наклоняваща маса). Компоновката на фиг.4в е предпочитана при по-малките типоразмери [23,24]. Дава свобода при конструирането и разполагането на вретенния възел, но налага известно ограничение върху конфигурацията и разполагането на система за АСЗ.

5. КОМПОНОВКИ С НЕПОДВИЖНА МАСА.

При тях заготовката не извършва движения по осите X, Y и Z, поради което са подходящи за машини по-голям типоразмер. В някои случаи се предпочита оформянето на машината като отделен модул, включващ работните органи, които се движат по транслационните оси. Това дава свобода на потребителя в избора му на конфигурация на възела, съдържащ масата. Поради тази причина компоновката е подходяща за гъвкави автоматизирани модули и системи- притежава висока степен на независимост от спецификата на системата за транспортиране на заготовките.

Компоновката на фиг.5а е 4-координатна и се използва в компоновките от горния сегмент на средния типоразмер [13,25]. Аналогична на нея е показаната на фиг.5б компоновка, при която движението по ос Z се изпълнява не от колоната, а от пинолата на вретеното [17,26]. Компоновката на фиг.5в е 5-координатна, като кръговите оси (А и В) са реализирани от комплект ВМ+НМ [8,27,28].

6. КОМПОНОВКИ „BOX-IN-BOX”.

Най-новите компоновки са тип „Box-in-Box” (фиг.6). При тях колоната и шейната Х имат специално изпълнение във вид на рамка. Това придава на колоната предимствата на портала- съпротивителният момент на напречното й сечение W_Z e значително по-голям, отколкото при обикновената колона, което намалява както собствените й деформации, така и завъртането в съединението „колона-тяло”. Шейната Х се движи по колоната по направляващи с голяма база (разстояние между тях), благодарение на което се създават условия за съществено намаляване на еластичното завъртане в подвижното съединение „шейна Х-колона”. По аналогичен начин голямата база на направляващите осигурява висока стабилност на съединението „шейна Z-тяло”. Всичко това спомага за повишаване на общата стабилност и прави компоновката подходяща за работа с повишени показатели на точността и производителността. Допълнително предимство, но не по-маловажно, е възможността за конструктивно реализиране на принципа за задвижване на шейните през техния ЦТ, което намалява нивото на трептенията на носещата система в периодите на ускоряване/забавяне. Благодарение на това компоновката е предпочитана при изграждане на високоскоростни машини.

Компоновките „Box-in-Box” се реализират като 4-координатни (фиг.6а) [27,29] и 5-координатни- с ВМ (ос В) и наклоняващо се вретено (ос А) (фиг.6б) [13,19,30] и с комплект ВМ+НМ (съответно оси В и А), разположен върху шейната Z (фиг.6в) [27,29].

7. КОМПОНОВКИ СЪС СТРАНИЧНО РАЗПОЛОЖЕНИЕ НА ВРЕТЕННАТА КУТИЯ.

Вретенната кутия е разположена странично на колоната по подобие на конвенционалните хоризонтални пробивно-разстъргващи машини (фиг.7) [12,13,31]. Това дава предимство при голямогабаритните и уникалните ХОЦ, например, към вретенната кутия се монтира кабина и двете извършват общо транслационно движение по ос Y, което дава възможност на намиращия се в кабината оператор на машината удобно да наблюдава, настройва и коригира процеса на рязане.

8. КОМПОНОВКИ ЗА СУХА И КВАЗИСУХА ОБРАБОТКА.

Главната характерна особеност при тях е наличието на НМ или комплект ВМ+НМ, позволяващи при обработване заготовката да заема странично или обърнато положение, и разположен под тях широк отвор в тялото за събиране на падащата по гравитационен път стружка [2,23,24] (фиг.8).

9. ДРУГИ КОМПОНОВКИ.

Съществуват и други компоновки, които се използват рядко при ХОЦ, макар и да са сред най-използваните при вертикалните ОЦ. Едни от тях са компоновките с кръстата маса. Изпълняват се в 3-координатен (фиг.9а) и 4-координатен (фиг.9б) вариант [13]. Тайванската TaChen [13] предлага класическа компоновка на ВОЦ с кръстата маса, при която странично на колоната е разположена вретенна кутия с хоризонтално вретено.

10. РЕЗУЛТАТИ ОТ ИЗСЛЕДВАНЕТО.

В течение на няколко десетилетия и до днес Т-образната компоновка запазва своята актуалност, най-често използваната от производителите е и може да се нарече „класическа” за ХОЦ.

Все по-често в практиката се налага обърнатата Т-образна компоновка, която дава широки възможности за свободен избор на конструктивен вариант и разполагане на системата за АСЗ.

Компоновката с неподвижна маса позволява органите на машината, извършващи работните движения, да се оформят в отделен самостоятелен модул, който лесно се приспособява към конкретиката на възела, носещ заготовката.

Компоновката „Box-in-Box” осигурява много висока обща стабилност на носещата система и поради това е предпочитана при машините, съчетаващи висока точност с висока производителност, в частност- за HSM.

Компоновката със странично разположение на вретенната кутия се използва основно при голямогабаритните и уникалните машини.

Компоновките за суха и квазисуха обработка намират все по-широк дял в производствените листи предвид нарастващия интерес към този нов вид стратегия на обработката чрез рязане. Характеризират се с възможността за странично и/или обърнато положение на заготовката по време на рязане и широк отвор в тялото за събиране и последващо бързо отвеждане на стружката извън машината.

Използват се и други компоновки. Една от тях е компоновката с кръстата маса, която е класическа при вертикалните ОЦ, но при ХОЦ има слабо изразено присъствие.

Повечето компоновки имат 4- и 5-координатни изпълнения. Кръговата четвърта координата се постига чрез ВМ по ос В. В 5-координатните изпълнения кръговите оси се реализират чрез ВМ и наклоняващо се вретено, ВМ и ъглова вретенна глава или комплект ВМ+НМ.

11. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

11.1. Извършена е класификация на компоновките на едновретенните хоризонтални обработващи центри, предлагани в актуалните производствени листи на производители от различни страни и региони на света.

11.2. Най-често използваните компоновки за изграждане на хоризонтални обработващи центри са Т-образната, обърнатата Т-образна, с неподвижна маса, „Box-in-Box”, със странично разположение на вретенната кутия, за суха и квазисуха обработка.

11.3. Най-често използваната е Т-образната, която може да бъде наречена „класическа” за хоризонталните обработващи центри.

ЛИТЕРАТУРА

КОРЕСПОНДЕНЦИЯ

доцент д-р инж. Пламен УГРИНОВ, катедра „Енергетика и машиностроене” при КЕЕ към ТУ-София, България, София, Студентски град, бл.16 (ниско тяло), тел. 0895-58-99-54, e-mail: ugrinov_mmcpu@yahoo.com, web-site: www.ugrinov.com.