Jak wybrać odpowiednią obrabiarkę typu CNC?

Określ typowe elementy obrabiane

Maszyny typu CNC występują w wielu wersjach, a każda z nich najlepiej sprawdza się w określonym zakresie zastosowań. Pierwszym krokiem przy zakupie maszyny jest zatem określenie typowych elementów i operacji, które ma ona wykonywać.

W oparciu o plan modernizacji lub rozwoju produkcji firmy należy określić, które operacje zostaną przeniesione na urządzenia typu CNC, a następnie zastosować klasyfikację technologiczną w celu podziału potencjalnych elementów na grupy. Ponieważ rozmiary elementów i całkowite obciążenie mogą się znacznie różnić, należy dopracowywać podział na grupy, aż do uzyskania praktycznego zestawu typowych elementów obrabianych.

Każdy typ maszyny ma swoje charakterystyczne zastosowania. Poziome centra obróbcze nadają się do obróbki obudów, korpusów pomp, korpusów zaworów i powłok, natomiast pionowe centra obróbcze nadają się do obróbki pokryw, płyt, powłok i płaskich krzywek, które są obrabiane głównie z jednej strony. Obróbka detalu przeznaczonego dla centrum poziomego na centrum pionowym może wymagać zmian w osprzęcie mocującym i punktach odniesienia, co obniża wydajność i dokładność. Obróbka detalu przeznaczonego dla centrum pionowego na centrum poziomym może wymagać zastosowania uchwytu z płytą kątową, co zmniejsza sztywność systemu. Maszyna pozioma o porównywalnych rozmiarach może kosztować od 80% do 100% więcej, a jej eksploatacja jest również droższa, chociaż jej szerszy zakres obróbki często skutkuje proporcjami w warsztacie wynoszącymi około 60% do 70% centrów poziomych i 30% do 40% centrów pionowych.

Wybierz rozmiar i pojemność urządzenia

Głównymi kryteriami określającymi wielkość maszyny są zakresy ruchu osi sterowanych oraz moc silnika wrzeciona.

Zasięgi osi X, Y i Z określają dostępną przestrzeń obróbczą. Element obrabiany powinien zazwyczaj mieścić się w jej obrębie. W przypadku obudowy o wymiarach 450 × 450 × 450 mm centrum obróbcze ze stołem o wymiarach 500 × 500 mm zapewnia wystarczającą przestrzeń na osprzęt mocujący. Maszyna o takich wymiarach stołu zazwyczaj zapewnia zakres ruchu w osi X od 700 do 800 mm, w osi Y od 550 do 700 mm oraz w osi Z od 500 do 600 mm.

Część może czasami przewyższać skok osi, o ile wymagany obszar obróbki mieści się w dopuszczalnym zakresie. Nabywca musi jednak sprawdzić obciążenie stołu, prześwit niezbędny do wymiany narzędzia oraz ryzyko kolizji między obracającym się elementem a osłonami maszyny lub osprzętem.

Moc wrzeciona określa wydajność skrawania, a pośrednio także sztywność skrawania. Nowoczesne centra obróbcze wykorzystują mocne silniki prądu przemiennego lub stałego o zmiennej prędkości obrotowej, jednak dostępny moment obrotowy może być ograniczony przy niskich prędkościach, ponieważ moc silnika spada wraz ze spadkiem prędkości. W związku z tym w przypadku dużych średnic i intensywnego usuwania materiału, zwłaszcza podczas wytaczania, należy sprawdzić moment obrotowy przy niskich prędkościach. Tokarki CNC do pracy z dużą prędkością i niewielkim obciążeniem oraz tokarki konwencjonalne o tej samej wielkości nominalnej mogą różnić się kilkukrotnie pod względem mocy wrzeciona. Wybór powinien uwzględniać naddatek na półfabrykat, wymaganą wydajność usuwania metalu, docelową dokładność oraz dostępne oprzyrządowanie.

Jeśli nie da się wykonać niewielkiej liczby specjalnych części przy użyciu trzech osi liniowych, może zaistnieć konieczność zamówienia maszyny specjalnej wyposażonej w osie obrotowe A, B lub C albo osie pomocnicze U, V lub W.

Wybierz wymaganą dokładność maszyny

Należy dobrać klasę dokładności na podstawie kluczowych cech typowych elementów. Centra obróbcze dzieli się zazwyczaj na klasy standardowe i precyzyjne.

Pozycjonowanie i powtarzalność wynikają z sumy błędów elementów ruchomych na każdej osi. Powtarzalność ma szczególne znaczenie, ponieważ wskazuje, czy dana oś może konsekwentnie powracać do dowolnych pozycji w całym zakresie swojego skoku. Sterowniki CNC często zapewniają kompensację błędu nachylenia i luzu. Funkcje te mogą korygować stabilne błędy systematyczne, ale nie są w stanie w pełni skorygować błędów losowych spowodowanych martwymi strefami napędu, luzami, odkształceniami sprężystymi, zmienną sztywnością styku, obciążeniem stołu, długością przesuwu lub prędkością pozycjonowania. Wysoka powtarzalność zależy zatem nadal od solidnej konstrukcji mechanicznej i odpowiedniej regulacji.

Dokładność interpolacji kołowej pozwala ocenić zarówno śledzenie serwomechanizmu, jak i interpolację CNC. Standardowy cylindryczny element testowy, o średnicy zazwyczaj od 200 do 300 mm w przypadku małych lub średnich maszyn, jest frezowany frezem wykańczającym, a następnie mierzony na przyrządzie do pomiaru okrągłości. Różnica promieniowa między maksymalnym a minimalnym okręgiem obwiedniowym stanowi dokładność okrągłości.

Szereg błędów pozycjonowania występujących na całym zakresie ruchu tworzy obwiednię błędów pozycjonowania dla całego zakresu ruchu i określa dokładność pozycjonowania.

Na podstawie dokładności pozycjonowania maszyny można oszacować dokładność odpowiadających jej elementów. Na przykład dokładność odległości między środkami dwóch otworów wykonanych w wyniku ruchu wzdłuż jednej osi może wynosić od 1,5 do 2 razy więcej niż dokładność pozycjonowania w tej jednej osi, choć istotne znaczenie mają również czynniki procesowe. Standardowe centrum obróbcze może zazwyczaj wytwarzać partie elementów klasy 8, natomiast centrum precyzyjne może wytwarzać elementy klasy od 6 do 7.

Większość standardowych napędów posuwowych typu CNC wykorzystuje sterowanie w pętli półzamkniętej i nie jest w stanie bezpośrednio wykrywać wydłużenia termicznego śruby kulowej. Przy współczynniku rozszerzalności liniowej śruby kulowej wynoszącym około 11,2 × 10^-8/K – lokalny wzrost temperatury o 1°C do 2°C podczas ciągłej pracy może spowodować przesunięcie punktu zerowego maszyny oraz układu współrzędnych obrabianego elementu. Jeśli punkt zerowy obrabianego elementu znajduje się w odległości około 400 mm od stałego końca śruby kulowej, wzrost temperatury o 2°C może spowodować dryft rzędu około 8,9 µm. W przypadku centrum poziomego, które obraca obudowę o 180° w celu obróbki otworów na obu końcach, może to podwoić błąd współosiowości. Wstępne naprężenie śruby kulowej może zmniejszyć błąd termiczny i zwiększyć sztywność napędu, ale podnosi to koszty. Sama dokładność maszyny nie jest wystarczająca; wymagany jest również odpowiedni plan procesu.

Wybierz system CNC

Model CNC musi być dostosowany do maszyny i zastosowania.

Dopasuj sterownik do typu maszyny

Sterowniki są skonfigurowane do toczenia, frezowania, wytaczania, szlifowania, wykrawania i innych procesów. Należy wybrać wersję przeznaczoną dla danego typu maszyny.

Dostosowanie wydajności do założenia projektowego

Dostępne sterowniki znacznie różnią się pod względem wydajności i ceny. Jako przykład historyczny można podać, że sterownik FANUC 15 zapewniał maksymalny posuw skrawania wynoszący 240 m/min przy przyroście polecenia wynoszącym 1 µm, podczas gdy sterownik FANUC 0 zapewniał posuw na poziomie 24 m/min. W przypadku zwykłej maszyny, wymagającej prędkości zaledwie 20 m/min, zastosowanie droższego systemu przyniosłoby niewielkie korzyści. Należy wspólnie ocenić wydajność i koszt, zamiast automatycznie wybierać najnowszy lub o najwyższych parametrach system.

Wybierz tylko te funkcje, których potrzebuje maszyna

Podstawowe funkcje są zawarte w wybranym systemie, natomiast funkcje opcjonalne wiążą się z dodatkowymi kosztami. Należy wybierać opcje zgodnie z rzeczywistymi wymaganiami eksploatacyjnymi maszyny. Jednocześnie należy określić wszystkie wymagane funkcje już przy składaniu pierwszego zamówienia. Pominięcie funkcji kompensacji skoku lub przesunięcia narzędzia może uniemożliwić lub znacznie utrudnić korektę podczas uruchamiania. Wykorzystanie tego samego modelu sterowania, który jest już zainstalowany w zakładzie, upraszcza również obsługę, programowanie i konserwację.

Wybierz funkcje maszyny i akcesoria

Serwomotory podajnika

Do popularnych napędów posuwowych należą silniki krokowe, serwosilniki prądu stałego oraz serwosilniki prądu przemiennego. Silniki krokowe są niedrogie, ale charakteryzują się ograniczoną wydajnością, np. prędkością posuwu wynoszącą około 6–8 m/min, minimalną rozdzielczością rzędu 0,01 mm oraz skłonnością do oscylacji przy niskich prędkościach; stosuje się je głównie w ekonomicznych układach z otwartą pętlą. Serwomotory prądu stałego są szeroko stosowane i kosztują mniej niż serwomotory prądu przemiennego, ale ich reakcja jest gorsza, a szczotki i komutatory zwiększają ryzyko awarii. Obecnie w zastosowaniach CNC dominują serwomotory prądu przemiennego.

Moc serwomechanizmu zależy od tłumienia i obciążeń bezwładnościowych. Należy sprawdzić, czy:

1. Moment obrotowy bez obciążenia w całym zakresie prędkości obrotowych mieści się w obszarze ciągłego momentu znamionowego.
2. Maksymalny moment obciążeniowy, cykl obciążeniowy oraz czas trwania przeciążenia mieszczą się w dopuszczalnych parametrach silnika.
3. Moment przyspieszający i hamujący pozostają w zakresie pracy przerywanej.
4. W przypadku częstych rozruchów, zatrzymań i obciążeń cyklicznych moment obrotowy średni kwadratowy pozostaje poniżej znamionowego momentu obrotowego przy pracy ciągłej.
5. Bezwładność obciążenia nie wpływa negatywnie na czułość silnika ani na dokładność serwomechanizmu.

Bezwładność obciążenia mniejsza od bezwładności wirnika ma niewielki wpływ, jednak bezwładność równa lub większa od około trzykrotności bezwładności wirnika może znacznie pogorszyć szybkość reakcji i uniemożliwić prawidłową regulację serwowszczelnika.

Silniki wrzecionowe

Dobór silnika wrzeciona powinien uwzględniać moc skrawania, wydajność skrawania oraz maksymalny moment obrotowy przy niskich prędkościach; należy utrzymać moc przyspieszania i hamowania poniżej maksymalnej mocy wyjściowej; średnią moc podczas częstych rozruchów i zatrzymań należy utrzymać poniżej znamionowej mocy ciągłej; należy również zapewnić, aby suma mocy skrawania przy stałej prędkości oraz mocy przyspieszania mieściła się w granicach dostępnej mocy.

Akcesoria praktyczne

Należy skonfigurować niedrogie akcesoria niezbędne do natychmiastowego uruchomienia, a jednocześnie, w miarę możliwości, wspólnie wykorzystywać kompatybilne urządzenia na różnych maszynach. Należy porównać kosztowne funkcje sterowania, takie jak programowanie konwersacyjne i grafika dynamiczna, z alternatywnymi metodami programowania poza maszyną, ponieważ programowanie bezpośrednio na maszynie pochłania czas produkcji. Automatyczne pomiary, sondy dotykowe oraz systemy wykrywania zużycia lub pęknięcia narzędzi należy wybierać raczej ze względu na sprawdzoną niezawodność niż nowatorskość.

Chłodzenie, osłony i odprowadzanie wiórów również zasługują na szczególną uwagę, ponieważ wiele usterek eksploatacyjnych ma swoje źródło właśnie w tych systemach. Wielodyszowy system doprowadzania chłodziwa oraz szczelne osłony lepiej radzą sobie z różnymi rozmiarami elementów i cięciem z dużą prędkością niż proste rury i osłony. Należy dobrać wydajność dostosowaną do wielkości produkcji. W temperaturach otoczenia od 38°C do 40°C klimatyzator szafy elektrycznej może okazać się niezbędny do niezawodnej pracy półprzewodników.

Wybierz system narzędziowy CNC

Automatyczny zmieniacz narzędzi i magazynek

Automatyczny zmieniacz narzędzi (ATC) ma fundamentalne znaczenie dla centrów obróbczych, centrów tokarskich oraz pras wykrawających CNC z automatyczną wymianą wykrojników. Jego koszt może stanowić od 30% do 50% całkowitej wartości inwestycji w maszynę. Kluczowymi wskaźnikami wydajności są czas wymiany narzędzia oraz wskaźnik awaryjności. Z doświadczeń praktycznych wynika, że ponad połowa usterek centrów obróbczych wynika z działania ATC, dlatego zazwyczaj najlepszym rozwiązaniem jest najprostsza, niezawodna konstrukcja dostosowana do danego zastosowania.

Pojemność magazynków waha się od mniej niż 20 narzędzi do 40, 60 lub 100, podczas gdy centralny magazyn w systemie FMC może pomieścić prawie 1 000. Samodzielne centrum obróbcze, które nie będzie podłączone do systemu FMC ani FMS, zazwyczaj nie powinno być wyposażone w niepotrzebnie duży magazyn, ponieważ powoduje to wzrost kosztów, złożoności, awaryjności oraz obciążenia związanego z zarządzaniem.

Wielkość magazynu należy dobrać na podstawie liczby narzędzi potrzebnych do jednego pełnego cyklu obróbki typowej części, z uwzględnieniem niewielkiego zapasu. W przypadku centrum pionowego często wystarcza około 20 narzędzi, a w przypadku centrum poziomego – około 40. Złożone części często można podzielić na dwa lub trzy programy w oparciu o obróbkę cieplną, zmiany punktu odniesienia lub oddzielne obróbki zgrubne i wykańczające, tak aby liczba narzędzi w każdym programie nie przekraczała 40. W przypadku rocznej produkcji rzędu kilku tysięcy części ekonomicznym rozwiązaniem mogą być specjalistyczne narzędzia kombinowane z wieloma ostrzami. Programy wykorzystujące ponad 50 narzędzi znacznie utrudniają również programowanie, testowanie, projektowanie uchwytów oraz wprowadzanie poprawek.

Proste tokarki typu CNC mogą być wyposażone w cztery narzędzia, podczas gdy złożone centra tokarskie mogą posiadać dziesiątki narzędzi stałych i napędzanych. Narzędzia napędzane są kosztowne i nie zawsze zapewniają wysoką wydajność, dlatego najlepiej sprawdzają się w przypadku złożonych, zróżnicowanych zadań wykonywanych w małych seriach, a nie w prostszej produkcji średnio- lub wielkoseryjnej.

Uchwyty narzędziowe i narzędzia skrawające

Po wybraniu maszyny i systemu ATC należy dobrać znormalizowane uchwyty narzędziowe i narzędzia skrawające. Systemy centrów obróbczych są w wysokim stopniu znormalizowane i zazwyczaj spełniają wymagania normy ISO. Uchwyt narzędziowy łączy różnorodne narzędzia skrawające z wrzecionem, magazynkiem i mechanizmem manipulacyjnym.

Rozważmy trzy kwestie:

1. Większość uchwytów to adaptery bez ostrza i do ich obsługi potrzebne są wiertła, frezy trzpieniowe, wiertła do wytaczania, gwintowniki, tuleje zaciskowe, uchwyty wiertarskie oraz odpowiednie klucze.
2. Producenci oferują wiele systemów, które się pokrywają. Należy zapoznać się z kartami technologicznymi typowych części, porównać dostawców, zasięgnąć porady u doświadczonych specjalistów oraz, w razie potrzeby, dokonywać zakupów etapami. Czas realizacji zamówień na uchwyty narzędziowe wynosi często od dwóch do trzech miesięcy, czyli jest krótszy niż w przypadku samej maszyny.
3. Uchwyty narzędziowe występują głównie w wersji integralnej, modułowej lub kombinowanej. Systemy integralne i modułowe są znormalizowane; uchwyty kombinowane są projektowane pod konkretne zastosowania.

Łączenie dwóch serii uchwytów w jednej maszynie jest nieopłacalne i trudne w zarządzaniu. Oprzyrządowanie modułowe wiąże się z wyższymi kosztami początkowymi, ale zapewnia większą elastyczność, gdy jest nabywane jako system. Na przykład konwencjonalny trzpień wytaczarski Ø60 może kosztować około 120 USD, podczas gdy modułowy zestaw składający się z trzpienia, przedłużki i głowicy skrawającej może przekroczyć 200 USD. Jednak w przypadku magazynu na 30 narzędzi 30 trzpieni modułowych, 50–60 przedłużek i 70–80 głowic skrawających może zastąpić 100 zespołów integralnych i uprościć zarządzanie komputerowe. Proste narzędzia używane wielokrotnie bez konieczności ponownego montażu, takie jak uchwyty wiertarsko-uchwytowe, są często bardziej ekonomiczne jako zespoły integralne.

W przypadku seryjnej produkcji od kilku tysięcy do kilkudziesięciu tysięcy części rocznie narzędzie kombinowane, którego koszt jest od trzech do dziesięciu razy wyższy od standardowego uchwytu, może nadal być opłacalne, jeśli zastępuje od trzech do pięciu narzędzi i łączy kilka operacji w jedną.

Urządzenia do ustawiania narzędzi

Pomiar promieniowy i osiowy narzędzia należy w miarę możliwości przeprowadzać poza maszyną, aby nie tracić cennego czasu pracy wrzeciona na ustawianie. Urządzenia do wstępnego ustawiania narzędzi mogą wykorzystywać systemy pomiarowe optyczne, siatkowe lub indukcyjne. Wersje sterowane komputerowo łączą oprogramowanie do zarządzania narzędziami z zakodowanymi nośnikami umieszczonymi na uchwytach.

Należy wybrać urządzenie do pomiaru narzędzi tokarskich, centrum obróbcze lub uniwersalny presetter, którego stożek wrzeciona jest zgodny z maszyną CNC, co pozwoli na bezpośrednie wprowadzanie zmierzonych przesunięć. Presettery są dostępne w wersjach standardowych i precyzyjnych, a urządzenia z najwyższej półki osiągają dokładność pomiaru zbliżoną do 0,001 mm. Ta dokładność statyczna nie gwarantuje uzyskania tego samego wymiaru obrabianego elementu. Wywiercony otwór może być o 0,01 do 0,02 mm mniejszy od wartości wstępnie ustawionej, w zależności od stanu krawędzi i materiału, a zwykła powtarzalność obciążenia wrzeciona może przyczynić się do dodatkowego odchylenia rzędu 0,005 do 0,008 mm. Tolerancja otworu rzędu 0,01 mm może nadal wymagać cięcia próbnego i regulacji na maszynie. W miarę możliwości jeden presetter powinien obsługiwać kilka maszyn.

Ocena pomocy technicznej

Sama dobra maszyna nie gwarantuje sukcesu technicznego ani ekonomicznego. Nowi użytkownicy potrzebują również przeszkolonych operatorów, programistów oraz personelu zajmującego się konserwacją mechaniczną i elektryczną.

Producenci maszyn coraz częściej zapewniają wsparcie przed- i posprzedażowe, obejmujące analizę procesów obróbki typowych elementów, próby wykonalności, projektowanie oprzyrządowania, programowanie, instalację, uruchomienie, cięcia próbne oraz rozpoczęcie produkcji. Szczególnie ważne są szkolenia i praktyczne instruktaże dla personelu konserwacyjnego, programistów i operatorów. Inwestowanie w kompetencje personelu ma zasadnicze znaczenie dla efektywnego wykorzystania urządzeń CNC.