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 630 mm широчина и 1250-1500 mm дължина.

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 800 mm) като базова 3-координатна.

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 2000 mm) [19].

 

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.     Bridgeport- www.bpt.com

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., катедраЕнергетика и машиностроенепри 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.