ВЕРТИКАЛНИ
ОБРАБОТВАЩИ ЦЕНТРИ- ЕДНОВРЕТЕННИ КОМПОНОВКИ- КЛАСИФИКАЦИОНЕН АНАЛИЗ
Пламен Угринов
Резюме. Извършен
е класификационен анализ на съвременните едновретенни компоновки на вертикални
обработващи центри. Разделени са на три класификационни групи- едноколонни, портални
и други. Във всяка от тях са класифицирани първоначално базовите 3-координатни компоновки,
а след това е показано преминаването от тях към 5-координатните. Отбелязано е,
че 4-координатните компоновки се реализират като отговор на актуална
технологична потребност чрез добавяне на една кръгова координата. Резултатите
от класификационния анализ са обобщени във вид на диаграма.
Ключови думи: вертикални обработващи центри, класификация, компоновка, 3-,
5-координатни
1.
Въведение.
Вертикалните обработващи центри
(ВОЦ), и в частност едновретенните, са едни от най-често използваните
металорежещи машини с ЦПУ (ММ с ЦПУ). Както при всички ММ с ЦПУ, така и тук, видът
на компоновката определя в решаваща степен въпроса за технологичното им
предназначение и технологичните възможности, за съпротивителните им свойства
(статична, топлинна стабилност и др.), за
икономическите им показатели (цена, заемана производствена площ и др.) и
т.н.
В тази връзка въпросът за
класификацията на компоновките на ВОЦ има важно научно-практическо значение.
Бурното развитие на ВОЦ през последното десетилетие, появата на нови
компоновки, развитието на по-старите и изместването на сегмента на използването
им прави въпросът особено актуален.
2.
Методика на класификационния
анализ.
Обект на класификационния анализ
са съвременните едновретенни ВОЦ, намиращи се в актуалните производствените
листи на фирмите. Разглеждат се водещи фирми-производителки на ВОЦ от
Европейския съюз, САЩ, Япония, Русия, Азия (Република Корея, Тайван). Поради
лимитирания обем извън статията остават машините с револверна многовретенна
глава, двувретенните (с типични представители ВОЦ на Stama [4]) и др.
В качеството на информационни
източници са използвани фирмените web-сайтове, като в някои случаи допълнителни данни са снемани
и от фирмени проспекти на хартиен носител.
Извършеният анализ позволява
компоновките на ВОЦ да се разделят на три големи класификационни групи:
едноколонни, портални и други.
3. Едноколонни компоновки.
Едноколонните компоновки са
най-често използваните. Предимството им се състои в малката заемана
производствена площ, сравнително високите показатели на съпротивителните
свойства. Върху тях се обработват заготовки в много широк типоразмерен
диапазон, достигащ примерно до
Разделят се на
компоновки с неподвижна и подвижна колона.
3.1. Едноколонни компоновки с неподвижна колона.
Компоновките с неподвижна колона
от своя страна се изпълняват в два варианта- с кръстата маса (фиг.1) и движение
на масата по ос Х (фиг.2).
А. С кръстата маса.
Базовият вариант на компоновката
с кръстата маса (фиг.1а) е 3-координатен, като работните органи, носещи
заготовката, изпълняват подавателните и установъчните движения (по-нататък за
краткост само „движения”) по оси Х и Y, извършвани в хоризонталната равнина, а вертикалното движение се изпълнява
от вретенната (предавателната) кутия, носеща вретеното и съответно инструмента.
Тази компоновка се използва от почти всички фирми, предлагащи в листата си ВОЦ
и би могла да бъде определена като
класическа за този тип машини. В съответствие с тази компоновка е
изграден един от най-успешните български ВОЦ РВ 501.24 [20]. В съответствие с
нея са построени VM20
и VMX30 на Hurco [2], гамата XR series на Bridgeport [9]. От нея лесно се преминава
към компоновките с по-голям брой управляеми координати.
Показаната на фиг.1б компоновка
в пазарното й представяне бива определяна като 4-координатна. В хода на
изследването не бяха открити 4-координатни машини в чист конструктивен вид. В действителност
4-координатните са 3-координатни ВОЦ, към които се добавя временно (в
съответствие с актуалната технологична необходимост) NC-управляем възел с една кръгова
координата- въртяща маса (ВМ) (установявана върху работната повърхнина на
масата), или наклоняваща вретенна глава (установявана във вретеното).
Пълноценна 5-координатна
компоновка се реализира чрез ВМ по ос С, върху която е оформена работна
повърхнина (с Т-образни канали, растрови отвори и др.), и наклоняваща вретенна глава по ос В (фиг.1в)- представител:
VMX60SR на Hurco [2].
Б. С движение на масата по ос Х.
Компоновката може да се изпълни в 3-, 4- и 5-координатен
вариант. На фиг.2а е показана 3-координатната компонов-ка, при която работната
маса извършва движението по ос Х, а движенията по ос Y и Z
се изпълняват от вретеното- представител: гамата DMC 635/1035V DMG [1]. При това шейната Y се движи върху колоната.
Компоновката е подходяща за по-тежки заготовки. Осигурява много добра
стабилност и динамика на движенията по осите Y и Z. Благодарение на това тя е
предпочитана за реализация на 5-координатна машина (фиг.2б)- върху шейната Х се
разполага фабрично ВМ със (често) задно седло за установяване на заготовки за турбинни
лопатки. Вретеното се наклонява по ос В- представител: Series S на CB Ferrari [6].
4-координатната компоновка се
реализира чрез допълнително установяване на ВМ върху работната маса на 3-координатната
компоновка.
3.2.
Едноколонни компоновки с подвижна колона.
Изпълняват се почти изключително
като 5-координатни. Компоновките на фиг.3а (представител: 500 VS на Стерлитамак-МТЕ [17]) и
фиг.3б (представител: VMX60SR на Hurco [2]) са с фабрично монтиран комплектен
възел ВМ и наклоняваща маса (НМ). Компоновката на фиг.3в има ВМ за заготовката
(ос С) и наклоняваща вретенна глава (ос В)- представител DMF260 linear на DMG [1]. ВМ е вградена в работната
маса, върху която могат да се установяват голямогабаритни заготовки за 3- и
4-координатна обработка (чрез ос В). В компоновката на фиг.3б е монтиран
неподвижно към тялото, а трите транслационни движения (по оси Х, Y и Z) се изпълнянат от колоната и
разположените върху нея работни органи. В отделни случаи този вариант се
използва за 3-координатна компоновка, ориентирана към обработване на
голямогабаритни детайли и въобще в случаите, когато е необходим голям работен
ход по ос Х. В този случай вместо комплектния възел с кръговите оси се монтира
неподвижна работна маса. Компоновката на фиг.3г е с наклоняваща се 2-
координатна вретенна глава-
представител- Alex-tech Machinery
[18]. Подходяща е в случаите на обработване на тежки заготовки.
4. Портални компоновки.
Порталните компоновки (фиг.4) се
състоят от две колони, свързани помежду си с напречна греда, при което се
образува рамка, наречена портал (в някои източници тези компоновки се наричат
двуколонни). Основното им предназначение е обработката на тежки и
голямогабаритни заготовки. Характеризират се с по-висока статична стабилност от
едноколонните, а поради геометричната и термична симетричност имат и по-добро
топлинно поведение- топлинните деформации са предимно линейни и могат да бъдат
компенсирани.
Порталните компоновки се
изпълняват в два варианта- с неподвижен и подвижен портал. В базовия си вариант
те са 3-координатни.
При порталните компоновки с
неподвижен портал (фиг.4а) работната маса със заготовката извършва движението
по ос Х, а вретеното с инструмента има две координатни движения- вертикално по
ос Z и хоризонтално по ос Y, което се извършва по
напречната греда- представители: гамата DM-Series на Euma-Spinner, гамата В-Series на Takuma Machinery, отделни модели на Chevalier, Falcon Machine tools и др. [19]. При компоновката,
показана на фиг.4б, подвижната траверса е предназначена, чрез движението по ос W, да настрои разстоянието от
челото на вретеното до заготовката съобразно вертикалния й габарит.
Оперативното вертикално движение на инструмента става по ос Z- представители: моделите CANC 6035…10055 на Chin Yuang Hsing Machine Industrial [19].
Порталните компоновки с подвижен
портал (фиг.4в) са подходящи за заготовки с особено големи размери и/или тегло.
Заготовката остава неподвижна, а движението по ос Х се извършва от портала.
Изпълняват се и във вариант с подвижна траверса (фиг.4г).
Множество примери от последните
години показват, че компоновката с неподвижен портал не е приоритет само на
голямогабаритните машини. Днес порталната компоновка преживява ренесанс и все
по-широко се използва при по-малките по типоразмер машини (например, в средния
типоразмер от 400 до
3-координатните компоновки лесно
се преобразуват в 5-координатни чрез фабрично добавяне (фиг.4д) на комплект ВМ
и НМ (за установяване върху масата)(представител: модел на Breton [5]) или 2-координатна вретенна
глава (за установяване върху шейна Z) или в 4-координатни чрез монтиране върху работната маса на
допълнителна ВМ [19].
5. Други компоновки.
Това са сравнително нови като
идея компоновки, появили се през последното десетилетие в резултат на стремежа
за по-нататъшно повишаване на съпротивителните свойства на носещата система и
преди всичко на нейната статична стабилност.
Арковидната компоновка (фиг.5а) в известна степен наподобява
порталната, но се отличава от нея с пропорциите (по-къси колони, по-широка хоризонтална
част) и едноблоковия характер на арката. Това дава възможност за повишаване на нейната
коравина и на стабилността на съединението й с тялото- представител: NMV5000 DCG на Mori Seiki [14].
Последното позволява да се
намали съществено делът на еластичните деформации, породени от завъртането в
съединението. Създават се предпоставки за увеличаване на базата на
направляващите (разстоянието между тях), за задвижване с по две сачмено-винтови
двойки на шейната Х и шейната Z. Налице са и благоприятни условия за прилагане на теглителната сила на
СВД на нивото на ЦТ на шейната, което способства за свеждане до минимум на
трептенията, възникващи при ускоряване/спиране.
Компоновката на фиг.5б съдържа моноблоков
корпусен елемент, носещ едновременно характеристиките на колона и портал. През
отвора в него преминава шейната Х- представител:
гамата duoBlock на DMG
[1]. Притежава достойнствата на арковидната компоновка.
6. Резултати от изследването.
На фиг.6 е представена
обобщаваща диаграма на извършената по-горе класификация на едновретенните
компоновки на ВОЦ.
Стратегията по отношение на
компоновките, следвана от фирмите-производители, е насочена към разработване и
усъвършенстване на 3-координатната базова компоновка. При необходимост тя се
доразвива до 5-координатна чрез фабрично стационарно разполагане на различни
ВМ, НМ и въртящи и наклоняващи вретенни глави. При потребителя дадена
3-координатна базова компоновка може да се превърне (временно) в 4- или
5-координатна чрез добавяне на същите тези устройства вече в качеството им на
принадлежности.
Най-често използваната
компоновка е едноколонната с кръстата маса. Тя се предлага в различни
конструктивни варианти - с нормална, повишена и особено висока стабилност.
Някои производители я въвеждат в характерната за порталните компоновки сфера на
използване- за заготовки с голяма дължина (в т.ч. и над
7. Изводи.
- Извършена е класификация на
едновретенните компоновки на вертикалните обработващи центри. Установено е, че
основните групи компоновки при едновретенните обработващи центри са
едноколонната и порталната, като
успоредно с тях се развиват и други. Най-често
използваната компоновка е едноколонната с кръстата маса. Тя се предлага в
различни конструктивни варианти от повечето производители. Сферата на
използване на порталната компоновка се разширява към машини от среден
типоразмер.
- Стратегията на
фирмите-производители се състои в усъвършенстването на базова 3-координатна
компоновка, която се доразвива до 5-координатна.
- С високи съпротивителни свойства
са новоразработената арковидна компоновка и моноблоковата. На тяхна база могат
да се разработват 5-координатни компоновки за високоскоростна суха, квазисуха и
твърда обработка.
Литература:
1.
DMG- www.gildemeister.com
2.
Hurco- www.hurco.com
3.
Emag- www.emag.com
4.
Stama-
www.stama.com
5.
Breton- www.breton.it
6. C.B.Ferrari- www.cbferrari.com
7.
RAIS- www.rais-bg.com
8.
Haas- www.haascnc.com
9.
10. Fadal- www.fadal.com
11. Chiron-
www.chiron.com
12. Mazak- www.mazak.com
13. Makino-
www.makino.com
14. Mori Seiki- www.moriseiki.com
15. Okuma-
www.okuma.com
16. Doosan Infracore-
www.doosaninfracore.co.kr
17. Стерлитамак-МТЕ- www.stanok-mte.ru
18. Alex-tech
Machinery- www.produzion.ru
19. Тайвански
производители- www.machinetools.net.tw
20. „Металорежещи машини
с ЦПУ”- www.ugrinov.com
VERTICAL MACHINING CENTERS- SINGLE SPINDLE
STRUCTURES- CLASSIFICATION ANALYSIS
Assoc. Prof. Dr.Eng. Plamen Ugrinov
Astract: A classification analysis of up-to-date actual structures of single spindle
vertical machining centers is made. Structures are divided to three classification
groups- single stander (C-frame and others), bridge/gantry and others. Basic structures-3-axis- are classified in each group. The way to develop basic structure to 4- and
5-axis is shown. The results are presented in general chart.
Данни за автора:
Пламен Угринов Угринов, доцент д-р инж., 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.