Выбор горизонтально-фрезерного станка

 

Универсальные станки до сих пор работают и верно служат на многих заводах. На слуху в основном токарные и фрезерные станки. Фрезерная обработка металла не уступает токарной и является одной из ведущих. Её применяют для получения плоских или профильных гладких, рифленых поверхностей деталей, пазов, различных канавок. Существует несколько типов фрезерного оборудования. Один из них - это горизонтально-фрезерные станки. Они имеют различия в конструкции, также могут быть одностоечными и двустоечными, консольными и бесконсольными.

 

          Горизонтально-фрезерные станки – станки с горизонтальным расположением шпинделя, а также имеющие возможность перемещения стола в трех взаимно перпендикулярных направлениях. На таком оборудовании используются цилиндрические и торцовые фрезы для обработки горизонтальных поверхностей и дисковые двусторонние, концевые и торцевые фрезы для вертикальных.

У таких станков может быть поворотная плита, с помощью нее стол может менять положение (горизонтально\наклонно). Также такое оборудование можно усовершенствовать, путем оснащения ЧПУ.

 

Главным движением Vz является вращение фрезы 2, движением подачи Vп – перемещение изделия 1. Каждое из лезвий фрезы снимает стружку в течение лишь доли оборота фрезы, причем сечение стружки s непрерывно меняется от нуля до наибольшей величины.

 

Рисунок 1.  Схема фрезерования

 

 

Технико-экономические показатели горизонтально-фрезерных станков           

Для решения некоторой производственной задачи производят сравнительную характеристику станков для выбора наиболее подходящего оборудования. Для этого используют ряд критериев, которые говорят о качестве того или иного станка или целого набора станков. К таким показателям относятся эффективность, производительность, надежность, долговечность, ремонтопригодность, гибкость, точность и надежность. Но главным было, есть и остается эффективность.

Эффективность - достижение каких-либо определенных результатов с минимально возможными издержками или получение максимально возможного объема продукции из данного количества ресурсов.

А=N/∑с

                                                          (1.1)

Где N- годовой выпуск деталей, Sс – сумма годовых затрат на их изготовление.

Показатели эффективности:

• энергоемкость, 

• степень автоматизации,

• конкурентоспособность.

   

Энергоемкость продукции характеризуется расходом энергии на ее производство. Она определяется на единицу продукции (удельная энергоемкость) и на весь годовой объем (общая энергоемкость). Этот показатель указывает на то, продуктивно ли применяются энергетические ресурсы, а именно топливо и электроэнергия. Эта величина напрямую не связана с производством определенных видов изделий, она оценивается за конкретный промежуток времени.

 

Если рассматривать удельный уровень энергозатрат в себестоимости какой-то отраслевой продукции, то на первом месте, с большим отрывом от других секторов промышленности, стоит нефтепереработка (табл. 1). Из таблицы видно, что затраты на машиностроение достаточно велики. Россия  тратит на топливо в этой отрасли больше среднего. Это говорит о более низком уровне оборудования и технологий. К сожалению Россия мало имеет передовых технологий, которые, помогли бы снизить затраты на энергию в машиностроительной области.

 

 

При выборе станков необходимо обращать внимание на их эксплуатационные параметры:

Надежность.

Под этим понимается способность оборудования в течение определенного времени выполнять свои основные функции.

Долговечность

Долговечность — характеризует срок службы машины до первого капитального ремонта или ее списания.

Ремонтопригодность

Ремонтопригодность — приспособленность оборудования к устранению поломок путем проведения техобслуживания или ремонта.

 

Все эти и другие параметры обеспечивают технологичность конструкции станка, определяющую оптимальные затраты на производство продукции, ремонт и обслуживание в процессе эксплуатации.

 

 

Компоновка станка    

На компоновке станка можно увидеть расположение модулей и направляющих оборудования, которые имеют различные структуры, размеры и свойства. В качестве примера рассмотрен горизонтально фрезерный станок 6П80Г.

 

 

Рисунок 2. Эскиз компоновки горизонтально-фрезерных станков

 

В зависимости от расположения узлов станка (компоновки) различают консольные и бесконсольные фрезерные станки. Основным конструктивным отличием консольно-фрезерных станков (рис 2) является наличие консоли 1, перемещающейся в вертикальном направлении по направляющим станины 2, 3 - салазки, 4 - стол, 5 - поворотная плита (у консольных станков), 6 – шпиндель, 7 – хобот, 8 – поддерживающая серьга.

 

Рисунок 3. Кинематическая структура станка 6П80Г

 

Образование поверхностей деталей, образованных на фрезерных станках совершается методом копирования и касания. Для совершения процесса резания необходимо создать два простых исполнительных движений формообразования: вращательное В1(главное движение резания) и прямолинейное П2 (движение подачи). Кинематическая структура станка состоит из кинематических групп для двух движений: движения скорости резания ФV(В1) и движение подачи - продольной ФS1(П2), поперечной ФS2(П3)и вертикальной ФS3(П4).

 

 

Привод главного движения

 

Прямолинейное поступательное или вращательное движение заготовки или режущего инструмента, происходящее с наибольшей скоростью в процессе резания, называется главным движением резания, или просто главным движением (ГОСТ 5762 – 83).

Таблица 1

 

Технические характеристики станка 6П80Г

 

 

У рассматриваемого станка разделенный привод движения резания. Это обуславливается тем, что коробка скоростей, в виде отдельного узла, смонтирована в станине, а с помощью клиновых ремней передается вращение шпинделю. Такая структура привода позволяет устранить повышенное тепловыделение в шпиндельной бабке и вибрации, благодаря чему повышается точность обработки, даже при самых высоких оборотах шпинделя.

Главным движением является движение резания. Его привод состоит из коробки скоростей, клиноременной передачи с натяжным устройством и перебора.

Такое регулирование применяется преимущественно на современных станках. С помощью бесступенчатого регулирования можно устанавливать необходимые режимы резания, в том числе и без остановки станка. Из-за широкого спектра регулирования появляется возможность обеспечить требуемые рабочие и быстрые (холостые) перемещения рабочих органов без применения промежуточных механических передач. Бесступенчатые приводы бывают электрические, гидравлические, пневматические и механические (вариаторы). В качестве источника движения часто применяют электродвигатели постоянного тока.  

 

 

Множество станков используют такой принцип регулирования – шестеренные коробки передач. Частота вращения изменяется только в заданных пределах. Такие механизмы просты по конструкции и надежны в эксплуатации. Источником движения является электродвигатель, чаще всего асинхронный, короткозамкнутый, установленный в непосредственной близости от станка или на самом станке.

 

 

Направляющие станка

 

Направляющие станков имеют высокую износостойкость и обеспечивают малое трение, что позволяет увеличить точность перемещения. Назначение направляющих – обеспечение линейного перемещения по осям станка (главное движение и движение подачи), крепится к основанию – станине.

 

По траектории:

• прямолинейное движение

• круговое

По форме поперечного сечения:

• ласточкин хвост (трапециевидные)

• прямоугольные, круглые и тд.

По виду:

• качения

• скольжения

• комбинированные

   Направляющие станка - это очень важный и ответственный узел. Он влияет на массу параметров, в первую очередь на точность оборудования. В связи с этим, к направляющим весьма строго предъявляются конструктивные требования, призванные обеспечить:

• высокая жёсткость (независимо от собственной длины);

• низкий коэффициент трения;

• отсутствие деформаций, как статических, так и в процессе приложения динамической нагрузки;

• отсутствие деформаций от нагрева в процессе работы;

• низкий износ/изменение размеров в течение длительного периода эксплуатации;

• малую чувствительность к загрязнению;

• как можно меньшую потребность в смазке (и соответственно, зависимость от качества и чистоты смазки);

• минимальное влияние на суммарную погрешность инструмента;

• защиту компонентов оборудования от катастрофических повреждений в случае собственной поломки.

 

 

Шпиндельные узлы

Шпиндельный узел – механизм типового оборудования, который служит для крепления детали (инструмента) и передачи крутящего момента от коробки скоростей на  режущий инструмент. Шпиндель изготавливается с высокой точностью, он должен обладать жесткостью и прочностью. Он производится из легированной стали, проходит термическую закалку, шлифовку, балансировку.

Шпиндельные узлы осуществляют два вида движения: вращательное и поступательное. В некоторых станках могут применяться оба вида движения единовременно. К примеру  фрезерный станок и вращает деталь в процессе резания, и подачу Для определённой категории агрегатов предусмотрено одновременное применение обоих видов.

Все шпиндельные узлы металлорежущих станков имеют схожую конструкцию.

 

 

Требования к шпиндельным узлам:

• обеспечение заданной скорости вращения;

• надёжное крепление заготовок или инструмента;

• требуемую скорость перемещения к задней бабке станка;

• сохранение высоких динамических качеств;

• поддержание постоянного температурного режима и неподверженность тепловой деформации;

• минимальные энергетические потери;

• постоянство динамических характеристик.

Критерии работоспособности:

• точность (характеризуется радиальным, осевым и торцевым биением шпинделя и для средних станков составляет 5—8 мкм. Подшипники выбираются примерно в три раза точнее, чем допустимое биение. Наиболее точные станки имеют биение 0,1— 0,02 мкм),

• быстроходность (скорость резания заготовок из стали и чугуна достигает 1600—2500 м/мин, алюминия – 3000 - 4000 м/мин, а пластиков – 3000 - 10000 м/мин),

• нагрузочная способность,

• статическая жесткость,

• динамические характеристики,

• энергетические потери,

• нагрев опор,

• статические, динамические и температурные смещения переднего конца шпинделя,

• ресурс работы.

         Исходя их подшипников и двигателя, можно сделать выводы о плюсах и минусах любого шпинделя. Именно они определяют область применения - высокие скорости и легкое резание. Например маленький двигатель вынуждает жертвовать крутящим моментом ради достижения более высокой скорости, а маленькие подшипники имеют меньшую жесткость. Поэтому нужен постоянный компромисс между скоростью резания и усилиями резания.

 

Для изготовления шпиндельных улов, применяются инструментальные легированные стали. Наиболее часто используются: Ст45, Ст40Х, 20Х.

 

 

Приводы подач

Привод имеет отдельный электродвигатель и состоит из двухступенчатого редуктора, шестискоростной коробки подач, переборного устройства коробки реверсов и механизмов продольной, поперечной и вертикальной подач.

 

Типы электроприводов станков

У фрезерных станков главное движение - вращательное (инструмент). Изменения угловой скорости шпинделя в процессе обработки, как правило, не требуется, поэтому для фрезерных станков обычно применяется ступенчатое регулирование.

Тип электроприводов фрезерных станков – это, обычно,  асинхронные короткозамкнутые двигатели с фланцевым исполнением. От такого двигателя через коробку подач и осуществляется привод. Часто для привода подачи используются отдельные электродвигатели.

Другие приводы в станках работают от отдельных электродвигателей.

 

 

Несущая система станка

 

Это неотъемлемая часть, без которой не будет обеспечено правильное расположение узлов станка относительно друга инструмента и заготовки, к которым приложены разные силовые и температурные воздействия. Под несущей системой понимают совокупность таких деталей, как стойки, станины, основания, столы, шпиндельные бабки и тд.

 Требования:

1. Точность изготовления всех ответственных поверхностей базовых деталей;

2. Постоянство формы и размеров в ходе эксплуатации;

3. Жесткость несущей системы;

4. Виброустойчивость;

5. Теплоустойчивость.

Ввиду большого разнообразия форм базовых деталей они делятся по типу на группы:

1. Брусья;

2. Пластины;

3. Коробки.

В качестве материала часто выбирают чугун, но если есть повышенные требования к износостойкости направляющих, то применяют модифицированный чугун. Но они не подходят для деталей сложной формы.

Стальные детали применяют, если конструкция изготавливается сваркой. Чугун уступает стали в упругости почти в 2 раза, поэтому при той же жесткости удается сэкономить до 50 % материала.

Железо-бетон обычно применяют в качестве конструкционного материала в тяжелых станках. Снижается металлоемкость.

 

 

1. Станины и стойки фрезерных станков представляют собой корпусные отливки коробчатой формы с ребрами жесткости и служат для размещения основных узлов станка. На станинах выполняют литые или накладные направляющие для перемещения узлов.

Форма поперечного сечения горизонтальных станин определяется:

• требованиями жёсткости;

• расположением направляющих;

• условиями удаления стружки и СОЖ;

• положением резервуаров, механизмов и тд.

 

 

.

Рисунок 5.Основные профили горизонтальных станин

 

Такие профили (рис. 5) применяются:

• если есть необходимость отвода стружки и СОЖ, обладает пониженной жесткостью по сравнению со станинами, имеющими замкнутый профиль;

• если стружку нужно выводить вниз;

• если нужно располагать механизмы, использовать как резервуар для масла;

• в тяжелых многосуппортных станках.

 

 

Рисунок 6.  Форма сечения вертикальных станин

 

а)  если необходимо обеспечить поворот узлов относительно оси стойки (радиально-сверлильные станки).

б) стойка, испытывающая нагрузки в плоскости симметрии (например, вертикально-сверлильные станки) (h/b≈2…4):карусельные станки (h/b≈3…4); продольно-фрезерные (h/b≈2…3);

в) если нагрузка пространственная (фрезерные, расточные и др. станки), то профиль делают близким к квадрату, что обеспечивает повышенную жёсткость на пружине. h/b≈1

Увеличение жёсткости стоек добиваются с помощью поперечных и продольных рёбер. У большинства станков момент сил, действуют сверху, поэтому стойки выполняют расширяющиеся книзу хотя бы в одной плоскости.

 

2.Плиты служат для повышения устойчивости станков с вертикальными станинами. Конструктивно плиты выполняют в виде пластины с системой стенок и рёбер или двух пластин, скрепленных стенками и рёбрами. Высота плит не должна быть меньше 1/10 длины плиты.

 

3. Коробчатые базовые детали (шпиндельные бабки, коробки передач, коробки подач, фартуки и т.п.) чаще имеют форму параллелепипеда, реже цилиндрическую форму (многошпиндельные токарные автоматы).

 

4. Базовые детали типа суппортов и салазок предназначены для перемещения заготовки или инструмента и имеют обычно две системы направляющих.

 

Конструктивные формы суппортов и салазок определяются

1) формой и расположением направляющих;

2) конструкцией регулирующих элементов;

3) конструкцией механизма привода;

4) требованием к размерам по высоте.

 

5. Столы служат для поддержания и перемещения заготовок при обработке:

- подвижные, которые имеют одну систему направляющих, т.е. перемещаются в одном направлении;

- неподвижные для поддержания заготовки (радиально-сверлильные, протяжные станки);

Подвижные столы могут быть:

- консольные (вертикально-сверлильные, поперечно-строгальные станки);

- плоские прямоугольной формы (фрезерные, продольно-фрезерные, шлифовальные станки);

- круглые (карусельные, зуборезные станки).

На карусельных станках стол называют планшайбой.

 

 

Типичные представители  

 Множество станков изготавливаются еще по советским канонам, некоторые имеют модификации, изготавливаются станки совершенно новые, а также на основе уже имеющихся. В качестве примера выбрано два станка. Первый из них – 6Р80 сочетает в себе классические решения, а второй - DMG MORI серии NHX, кроме выше сказанного, еще и  современные разработки мирового станкостроения.

 

 

Рисунок 7. Станок горизонтально-фрезерный 6Р80

 

Горизонтально-фрезерный станок 6Р80, 6Р80Г, 6Т80, 6М80, 6Н80 - консольный, предназначен для фрезерования различных деталей из стали, чугуна и цветных металлов цилиндрическими, дисковыми, фасонными, угловыми, торцовыми, концевыми и другими фрезами в условиях индивидуального и серийного производства. Возможность настройки станка на различные полуавтоматические и автоматические циклы позволяет успешно использовать станки для выполнения работ операционного характера в поточных и автоматических линиях в крупносерийном производстве.

 

Горизонтально фрезерные станки с ЧПУ DMG MORI серии NHX

В конструкции станков серии используется жесткая станина, облегченные подвижные элементы и измерительные линейки обратной связи. Так как у машин есть дополнительные опции, то они способны выполнять различные задания. Размер паллеты от 400х400 мм до 1250х1000 мм.

 

Рисунок 8. Горизонтально фрезерные станки с ЧПУ DMG MORI серии NHX

Таблица 2

Основные технические характеристики

 

Многофакторный анализ данных для выбора горизонтально-фрезерного станка

 

 Для выбора горизонтально-фрезерного станка нужно обладать специальными инженерными знаниями и, конечно, опытом. Фрезерные станки имеют различную конструкцию и поэтому предварительно нужно составить технологическую карту, где с подробными характеристиками указаны все этапы изготовления продукции:

• Виды технологических операций.

• Последовательность выполнения.

• Периодичность выполнения однотипных операций

• Необходимое время на выполнение тех или иных действий.

Ясное понимание предстоящего производственного процесса гарантирует выбор оборудования с нужными характеристиками, а также не принесет лишних затрат.

 

 

Общие параметры фрезерных станков

Размеры рабочей зоны - это важный критерий, по которому можно определить каких габаритов деталь можно обрабатывать на данном оборудовании. Конечно, для производства мелких деталей нужны малогабаритные станки. Для закрепления детали не требуется много места и поверхность стола не должна сильно превышать размеры заготовки. При наличии вакуумного стола его размеры могут совпадать с габаритами деталей.

Высота портала определяется расстоянием от плоскости рабочего стола до кромки режущего инструмента. Необходимо также учитывать диапазон движения шпинделя. Чем больше будут эти две величины, тем более широкий спектр разновидностей изделий можно будет производить на данном оборудовании.

 

Способы управления станком.

Работа станка под управлением персонального компьютера при единичном производстве изделий. Здесь в заранее заложенную программу вносятся необходимые технологические режимы (частота вращения шпинделя, скорость подачи заготовки или рабочего инструмента и т. д.).

При серийном производстве, если нет нужды в частой смене программы, используют контроллеры, информация поступает с помощью флеш-карты.

Специальные системы управления позволяют автоматически менять режимы работы, производить переналадку инструмента, осуществлять обратную связь с электроприводами.

 

 

Характеристики шпинделя.

 Здесь обращается внимание на такие параметры, как скорость вращения, мощность приводного электродвигателя, параметры разгона и остановки (плавность, время), уровень шума, наличие функции автоматической смены режущего инструмента.

Шпиндель с водяным охлаждением издает меньше шума, а сами станки имеют более низкую цену. Воздушное охлаждение шпинделя имеет место быть на станках для крупносерийного производства.

 

Комплектация станков.

Технические характеристики похожих станков:

• По приводной мощности и как следствие, массе обрабатываемых деталей.

• По максимальному ходу шпинделя.

• По наличию систем удаления стружки, охлаждения инструмента.

Автоматическая смена инструмента или вакуумный стол позволяют повысить производительность станка.

 

Заключение

Для того чтобы сделать деталь, а именно придать определенную форму и размеры заготовке, нужно специальное оборудование, как в данном случае – металлорежущий станок. Сейчас  есть масса различных видов и модификаций. Существуют специальные обрабатывающие центры, которые способны выполнять разные виды обработок за один установ.

 

Горизонтально-фрезерные станки существуют и работают на многих предприятиях. Чтобы работать на таком станке нужен инженерный опыт. При правильном использовании и обслуживании такого оборудования станок прослужит долго и будет выполнять заявленную точность размеров.