Как выбрать подходящий станок CNC?

Определите типовые заготовки

Станки серии CNC выпускаются в различных модификациях, и каждая из них демонстрирует наилучшие характеристики в определённом диапазоне применения. Поэтому первым шагом при приобретении станка является определение типичных заготовок и операций, которые он должен обрабатывать.

Воспользуйтесь планом модернизации или развития производства компании, чтобы определить, какие операции будут переведены на оборудование CNC, а затем примените групповую классификацию для распределения деталей по группам. Поскольку размеры деталей и общая рабочая нагрузка могут значительно различаться, уточняйте группы до тех пор, пока не будет сформирован практичный набор типовых заготовок.

Каждый тип станка имеет свои характерные области применения. Горизонтальные обрабатывающие центры подходят для обработки корпусов, корпусов насосов, корпусов клапанов и оболочек, тогда как вертикальные обрабатывающие центры — для крышек, пластин, оболочек и плоских кулачков, которые в основном обрабатываются с одной стороны. Обработка детали, предназначенной для горизонтального центра, на вертикальном центре может потребовать изменения зажимного приспособления и системы отсчета, что снижает эффективность и точность. Обработка детали, предназначенной для вертикального центра, на горизонтальном центре может потребовать использования углового зажимного приспособления, что снижает жесткость системы. Горизонтальный станок сопоставимого размера может стоить на 80%–100% дороже, а также иметь более высокие эксплуатационные расходы, хотя более широкий диапазон технологических возможностей часто приводит к тому, что в цеху соотношение горизонтальных и вертикальных токарных центров составляет примерно 60%–70% к 30%–40%.

Выберите размер и производительность машины

Основными критериями, определяющими размер станка, являются диапазоны перемещения управляемых осей и мощность двигателя шпинделя.

Ход по осям X, Y и Z определяет доступную зону обработки. Как правило, заготовка должна помещаться в пределах этой зоны. Для корпуса размером 450 × 450 × 450 мм обрабатывающий центр со столом 500 × 500 мм оставляет достаточно места для зажимного приспособления. Станок с столом таких размеров, как правило, обеспечивает ход по оси X от 700 до 800 мм, по оси Y — от 550 до 700 мм, а по оси Z — от 500 до 600 мм.

Иногда размер детали может превышать ход оси, если требуемая зона обработки остается в пределах допустимого диапазона. При этом заказчик должен проверить грузоподъемность стола, зазор для смены инструмента, а также отсутствие столкновений между вращающейся заготовкой и защитными ограждениями станка или его принадлежностями.

Мощность шпинделя определяет режущую способность и, косвенно, жесткость резания. В современных токарных центрах используются мощные двигатели переменного или постоянного тока с регулируемой скоростью, однако доступный крутящий момент на низких оборотах может быть ограничен, поскольку мощность двигателя снижается с уменьшением скорости. Поэтому при обработке деталей большого диаметра и интенсивном снятии металла, особенно при растачивании, необходимо проверять крутящий момент на низких оборотах. Высокоскоростные токарные станки CNC для легких условий эксплуатации и традиционные токарные станки того же номинального размера могут различаться по мощности шпинделя в несколько раз. При выборе следует учитывать припуск на заготовку, требуемую скорость съема металла, требуемую точность и имеющийся инструмент.

Если изготовление небольшого количества специальных деталей невозможно выполнить с помощью трёх линейных осей, то для этого могут потребоваться поворотные оси A, B или C либо вспомогательные оси U, V или W, что может повлечь за собой необходимость заказа специального станка.

Выберите требуемую точность станка

Определите класс точности исходя из критических элементов типовых деталей. Обрабатывающие центры обычно подразделяются на стандартные и прецизионные.

Позиционирование и повторяемость обусловлены суммированием погрешностей движущихся компонентов по каждой оси. Повторяемость имеет особое значение, поскольку она показывает, способна ли ось стабильно возвращаться в произвольные положения в пределах всего хода. Системы управления CNC часто обеспечивают компенсацию погрешности шага и люфта. Эти функции позволяют корректировать стабильные систематические погрешности, но не могут полностью устранить случайные потери, вызванные мёртвыми зонами привода, зазорами, упругой деформацией, изменением жесткости контакта, нагрузкой на стол, длиной хода или скоростью позиционирования. Поэтому высокая повторяемость по-прежнему зависит от надёжной механической конструкции и правильной настройки.

Точность круговой интерполяции оценивается с учетом совместной работы сервопривода и интерполяции CNC. Стандартный цилиндрический заготовка, обычно диаметром от 200 до 300 мм на станке малого или среднего размера, фрезеруется чистовой концевой фрезой и измеряется на приборе для проверки округлости. Радиальное отклонение между максимальным и минимальным огибающими кругами отражает точность окружности.

Серия погрешностей позиционирования по всему ходу образует огибающую погрешностей позиционирования по всему ходу и определяет точность позиционирования.

По точности позиционирования станка можно оценить точность соответствующих деталей. Например, точность расстояния между центрами двух отверстий, полученная в результате перемещения по одной оси, может составлять от 1,5 до 2 раз больше точности позиционирования по одной оси, хотя здесь также играют роль технологические факторы. Стандартный обрабатывающий центр, как правило, позволяет изготавливать детали 8-го класса точности серийно, тогда как прецизионный центр позволяет изготавливать детали 6-го и 7-го классов точности.

Большинство стандартных приводов подачи типа CNC используют систему управления с полузамкнутым контуром и не могут напрямую определять тепловое удлинение шарико-винтовой пары. При коэффициенте линейного расширения шарико-винтовой пары, равном примерно 11,2 × 10^-8/K: локальное повышение температуры на 1–2 °C в процессе непрерывной работы может привести к смещению нулевой точки станка и системы координат заготовки. Если нулевая точка заготовки находится на расстоянии около 400 мм от неподвижного конца шарико-винтовой пары, повышение температуры на 2 °C может вызвать смещение примерно на 8,9 мкм. На горизонтальном центре, который поворачивает корпус на 180° для обработки отверстий на обоих концах, это может удвоить погрешность соосности. Предварительное натяжение шарико-винтовой пары может уменьшить термическую погрешность и повысить жёсткость привода, но при этом увеличивает стоимость. Одной только точности станка недостаточно; также требуется грамотно разработанный технологический план.

Выберите систему CNC

Модель CNC должна соответствовать типу оборудования и области применения.

Подберите элемент управления в соответствии с типом машины

Системы управления настроены для токарной обработки, фрезерования, растачивания, шлифования, штамповки и других процессов. Выберите версию, предназначенную для данного типа станка.

Соответствие эксплуатационных характеристик проектным целям

Существующие системы управления значительно различаются по производительности и цене. В качестве исторического примера можно привести систему управления FANUC 15, которая обеспечивала максимальную подачу резания 240 м/мин при шаге команды 1 мкм, в то время как система FANUC 0 обеспечивала 24 м/мин. Для обычного станка, требующего скорости всего 20 м/мин, использование более дорогой системы не принесёт значительной выгоды. Оценивайте производительность и стоимость комплексно, а не выбирайте автоматически самые новые или самые высокопроизводительные системы.

Выберите только те функции, которые необходимы данному оборудованию

Базовые функции входят в комплект выбранной системы, тогда как дополнительные функции увеличивают стоимость. Выбирайте опции исходя из фактических требований к производительности оборудования. При этом все необходимые функции следует указать при первоначальном заказе. Отказ от компенсации шага или функции смещения инструмента может сделать их исправление во время ввода в эксплуатацию невозможным или дорогостоящим. Использование той же модели управления, которая уже установлена на предприятии, также упрощает эксплуатацию, программирование и техническое обслуживание.

Выбор функций и аксессуаров для оборудования

Сервомоторы подачи

К распространенным приводам подачи относятся шаговые, сервомоторы постоянного тока и сервомоторы переменного тока. Шаговые двигатели недороги, но имеют ограниченные рабочие характеристики, такие как скорость быстрого перемещения около 6–8 м/мин, минимальное разрешение около 0,01 мм и склонность к колебаниям на низких скоростях; они в основном используются в экономичных системах с открытым контуром. Сервоприводы постоянного тока широко используются и стоят дешевле, чем сервоприводы переменного тока, однако их динамические характеристики хуже, а щетки и коммутаторы повышают риск выхода из строя. В настоящее время в приложениях CNC преобладают сервоприводы переменного тока.

Мощность сервопривода зависит от демпфирования и инерционных нагрузок. Убедитесь, что:

1. Крутящий момент без нагрузки во всем диапазоне скоростей остается в пределах области постоянного номинального крутящего момента.
2. Максимальный рабочий крутящий момент, рабочий цикл и продолжительность перегрузки не выходят за пределы допустимых характеристик двигателя.
3. Крутящий момент при ускорении и замедлении остается в пределах режима прерывистой нагрузки.
4. При частых пусках, остановках и циклических нагрузках среднеквадратичный крутящий момент остается ниже номинального крутящего момента при непрерывной работе.
5. Инерция нагрузки не ухудшает чувствительность двигателя и точность сервопривода.

Инерция нагрузки, меньшая, чем инерция ротора, оказывает незначительное влияние, однако инерция, равная или превышающая примерно в три раза инерцию ротора, может значительно ухудшить отклик и помешать нормальной работе сервоусилителя.

Шпиндельные двигатели

При выборе шпиндельного двигателя необходимо обеспечить соответствие требованиям к мощности резания, скорости съема металла и максимальному крутящему моменту на низких оборотах; удерживать мощность ускорения и торможения на уровне ниже максимальной выходной мощности; поддерживать среднюю мощность при частых пусках и остановках на уровне ниже номинальной мощности непрерывного режима; а также гарантировать, что сумма мощности резания при постоянной скорости и мощности ускорения не превышает доступную мощность.

Практичные аксессуары

Установите недорогие принадлежности, необходимые для немедленного ввода в эксплуатацию, при этом, по возможности, используйте совместимые устройства на нескольких станках. Сравните дорогостоящие функции управления, такие как диалоговое программирование и динамическая графика, с альтернативными способами программирования вне станка, поскольку программирование непосредственно на станке отнимает производственное время. Автоматические измерительные системы, щупы и системы обнаружения износа или поломки инструмента следует выбирать, ориентируясь на проверенную надёжность, а не на новизну.

Охлаждению, защите и удалению стружки также следует уделить пристальное внимание, поскольку именно в этих системах возникает большинство неисправностей в процессе работы. Многосопловая подача охлаждающей жидкости и герметичные защитные кожухи лучше справляются с заготовками разных размеров и высокоскоростной резкой, чем простые трубы и защитные экраны. Выбирайте производительность, соответствующую объёмам производства. При температуре окружающей среды от 38 °C до 40 °C для надёжной работы полупроводникового оборудования может потребоваться кондиционер для электрического шкафа.

Выберите систему инструментов CNC

Автоматический сменщик инструмента и магазин

Автоматический сменщик инструмента (ATC) является основополагающим элементом обрабатывающих центров, токарных центров и штамповочных прессов CNC с автоматической сменой пуансонов. На него может приходиться от 30% до 50% от общей стоимости оборудования. Ключевыми показателями его эффективности являются время смены инструмента и частота отказов. Опыт эксплуатации показывает, что более половины неисправностей обрабатывающих центров связано именно с ATC, поэтому обычно лучше всего подходит самая простая и надёжная конструкция, соответствующая конкретному применению.

Вместимость магазинов варьируется от менее 20 инструментов до 40, 60 или 100, тогда как центральный склад системы FMC может вмещать почти 1 000 инструментов. Автономный обрабатывающий центр, который не будет подключаться к FMC или FMS, как правило, не должен иметь излишне большого магазина, поскольку это приводит к увеличению затрат, сложности, частоты отказов и нагрузки на персонал, отвечающий за управление.

Размер журнала следует рассчитывать исходя из количества инструментов, необходимых для одной полной настройки типовой детали, с небольшим запасом. Для вертикального центра часто достаточно около 20 инструментов, а для горизонтального — около 40. Сложные детали часто можно разделить на две или три программы с учетом термообработки, смены системы отсчета или разделения черновой и чистовой обработки, при этом количество инструментов в каждой программе не должно превышать 40. При годовом объёме производства в несколько тысяч деталей экономически целесообразно использовать специализированные многорежущие комбинированные инструменты. Программы, в которых используется более 50 инструментов, также значительно усложняют программирование, проверку, проектирование приспособлений и внесение изменений.

Простые токарные станки типа CNC могут быть оснащены четырьмя инструментами, тогда как сложные токарные центры — десятками стационарных и приводных инструментов. Приводные инструменты являются дорогостоящими и не всегда обеспечивают высокую производительность, поэтому они наиболее подходят для сложных, разноплановых работ с мелкосерийным производством, а не для более простого производства со средними или большими объемами.

Держатели инструментов и режущие инструменты

После выбора станка и системы автоматической смены инструмента (ATC) необходимо подобрать стандартизированные держатели инструмента и режущие инструменты. Системы обрабатывающих центров отличаются высокой степенью стандартизации и, как правило, соответствуют требованиям ISO. Держатель инструмента обеспечивает соединение разнообразных режущих инструментов со шпинделем, магазином и механизмом подачи.

Рассмотрим три момента:

1. Большинство держателей представляют собой переходники без режущей кромки, и для работы с ними требуются сверла, концевые фрезы, расточные инструменты, метчики, цанги, патроны и соответствующие ключи.
2. Производители предлагают множество систем, функции которых частично дублируют друг друга. Ознакомьтесь с технологическими паспортами типовых деталей, сравните предложения поставщиков, обратитесь за консультацией к опытным специалистам и, при необходимости, осуществляйте закупки поэтапно. Срок изготовления держателей инструмента часто составляет два–три месяца, что короче, чем срок поставки самого станка.
3. Держатели инструмента, как правило, бывают цельными, модульными или комбинированными. Цельные и модульные системы стандартизированы; комбинированные держатели изготавливаются по индивидуальному заказу.

Использование двух серий держателей на одном станке неэкономично и затрудняет управление. Модульные инструменты требуют более высоких начальных затрат, но обеспечивают большую гибкость при приобретении в комплекте. Например, стоимость традиционного расточного стержня Ø60 может составить около 120 долларов США, тогда как стоимость модульного комплекта, состоящего из хвостовика, удлинителя и режущей головки, может превышать 200 долларов США. Однако для магазина на 30 инструментов 30 модульных хвостовиков, 50–60 удлинителей и 70–80 режущих головок могут заменить 100 цельных узлов и упростить управление с помощью компьютера. Простые инструменты, которые используются многократно без повторной сборки, такие как держатели сверл с патроном, часто оказываются более экономичными в виде цельных узлов.

При серийном производстве от нескольких тысяч до десятков тысяч деталей в год использование комбинированного инструмента, стоимость которого в три–десять раз превышает стоимость стандартного держателя, может оказаться оправданным, если он заменяет три–пять инструментов и объединяет несколько операций в одну.

Устройства для предварительной настройки инструментов

Измерение радиального и осевого размеров инструмента следует по возможности проводить вне станка, чтобы не тратить дорогостоящее время работы шпинделя на настройку. В устройствах предварительной настройки могут использоваться оптические, решетчатые или индуктивные измерительные системы. В версиях с компьютерным управлением программное обеспечение для управления инструментом сочетается с кодированными носителями на держателях.

Выберите токарный инструмент, обрабатывающий центр или универсальный прибор для предварительной настройки, конус шпинделя которого соответствует станку CNC, чтобы измеренные смещения можно было вводить напрямую. Приборы для предварительной настройки выпускаются в стандартном и прецизионном исполнении, причем точность измерений у моделей высшего класса достигает 0,001 мм. Эта статическая точность не гарантирует получения точно такого же размера при обработке. Размер просверленного отверстия может оказаться на 0,01–0,02 мм меньше заданного значения в зависимости от состояния режущей кромки и материала, а обычная повторяемость нагрузки на шпиндель может добавить ещё 0,005–0,008 мм. Допуск отверстия в пределах 0,01 мм может по-прежнему требовать пробной резки и регулировки непосредственно на станке. Один пресеттер должен обслуживать несколько станков, если это целесообразно.

Оценить работу службы технической поддержки

Сама по себе хорошая машина не гарантирует технического или экономического успеха. Новым пользователям также необходимы квалифицированные операторы, программисты, а также специалисты по техническому обслуживанию механического и электрического оборудования.

Производители оборудования всё чаще предоставляют предпродажную и послепродажную поддержку, включая анализ технологических процессов обработки типовых заготовок, проверочные испытания, проектирование инструмента, программирование, монтаж, ввод в эксплуатацию, пробную резку и запуск в серийное производство. Особое значение имеют обучение и практические занятия для персонала по техническому обслуживанию, программистов и операторов. Инвестиции в повышение квалификации персонала имеют решающее значение для эффективного использования оборудования CNC.