Выполнение основных этапов технического перевооружения, на которое ныне сориентировано большинство отечественных предприятий машиностроения, невозможно без глубокого анализа работы производителей и поставщиков передового технологического оборудования. Качественный и ответственный подбор всех составляющих элементов процесса позволяет на начальном этапе заложить позитивную основу реализации перспективных планов развития производства в отрасли.
С учетом требований конструкторской документации и, соответственно, технологических процессов возникает необходимость независимой экспертной оценки рабочих планов перевооружения, как неотъемлемой части проведения технологического аудита предприятия. Подробную программу мероприятий в этой области среди заводов, выпускающих продукцию военного назначения (ПВН), успешно реализует ОАО «Национальный центр технологического перевооружения предприятий оборонно-промышленного комплекса (ОПК)». Причем, совместно с группой компаний «АДЕМ», так как технологическая подготовка производства с применением современных программных средств проектирования, таких как САПР АДЕМ, предваряет любые практические шаги по совершенствованию технологических цепочек.
Именно поэтому возник коллективный проект проведения на предприятиях ОПК и предприятиях машиностроения тематических семинаров, направленных на повышение квалификации специалистов, непосредственно формирующих планы технического перевооружения. Построенная на анализе технико-коммерческих предложений поставщиков и производителей современного оборудования, основа семинаров дает исчерпывающую информацию о методиках подбора металлорежущего оборудования, производителях и поставщиках токарных, многофункциональных и фрезерных обрабатывающих центров применительно к действующим и перспективным технологиям производства. Приведем некоторую часть практического материала, полученного в ходе работы с мировыми производителями технологического оборудования и упорядоченного в соответствии с реальными процессами подбора станков в машиностроении. Вначале о самом новейшем из материалов международной промышленной ярмарки METAV-2008 в Дюссельдорфе. Революционный вклад в область высокоскоростной обработки внесла европейская фирма «Dörries Scharmann Technologie GmbH», которая лидирует в области проектирования и изготовления обрабатывающих центров, предназначенных для авиастроения.
Рис. 1 Новейшая конструкция шпиндельного узла с «параллельной кинематикой».
Одно из последних «ноу-хау» фирмы - новая конструкция шпиндельного узла SPRINT Z3 для многоосевой обработки, построенная на принципе так называемой «параллельной кинематики», уже нашла свое промышленное воплощение при обработке комплектующих воздушного корабля A380 на предприятиях EADS (European Aeronautic Defense and Space Company), Германия; MOYOLA Precision Engineering, Ирландия; Liebherr-Aerospace Lindenberg GmbH. Рекордный показатель производительности установки, а именно, объем снимаемого материала 8 000 см3 в минуту, обеспечил 70% экономию нормы времени на деталь. Шпиндель обладает уникальными показателями динамики, имеет 3 одновременно управляемые оси и содержит достаточно простой набор стандартных узлов, что делает привлекательным его с точки зрения
ремонтопригодности.
Совершенно естественно, что появление новых концепций и разработок в станкостроении возможно только при постоянном совершенствовании базовых мехатронных узлов, составляющих основу любого технологического оборудования. Например, станина – несущая конструкция, в которую изначально закладывается будущий успех станка. Две современные мировые тенденции в области конструкционного материала станин заключаются в использовании чугунного литья и минералита (полимербетона).
Рис. 2 Сотовая структура колонны горизонтального обрабатывающего центра с ЧПУ итальянской фирмы «FPT Industrie». Материал – чугунное литье MEEHANITE(R).
Как правило, в качественных конструкциях станин для статически нагруженных элементов применяется серый чугун с пластинчатым графитом (СЧ), аналог по DIN 1691 GG25, для динамически нагруженных - высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВЧ), аналог по DIN 1693-506-50 имеет маркировку GGG-50 или в отдельных случаях MEEHANITE GB/GC 300, GS800.
Вторая технология изготовления станин заключается в заполнении пустот стального сварного корпуса станка композитной смесью (минералитом или полимербетоном), состоящей ориентировочно на 90% из гранитной крошки и на 10% эпоксидной смолы в качестве связующего состава. Себестоимость этой технологии бесспорно ниже по сравнению с чугунным литьем, производство станин из полимербетона менее вредно для окружающей среды с экологической точки зрения, что очень важно для стран европейского содружества, и позволяет в более короткий срок получать готовые элементы станков.
Можно сказать, что станкостроители успешно конкурируют друг с другом по выявлению преимуществ обоих способов, проводя кропотливую работу по совершенствованию технологий литья. Однако мировой опыт эксплуатации ЧПУ-техники выдвигает на первый план базовую геометрию станка, с целой совокупностью физических параметров, позволяющих противостоять динамическим и статическим нагрузкам, возникающих во время процесса резания. И тут не обойтись без специализированного программного обеспечения, направленного на комплексный компьютерный анализ виртуального продукта (станка) с целью получения первого опытного образца.
Например, с помощью услуги Mechatronic Support, предлагаемой станкостроителям фирмой SIEMENS, могут быть созданы предпосылки для эффективной интеграции механических элементов и двигателей станка на одной функциональной механической платформе так, чтобы получить интеллектуально оптимизированный станок.
Моделирование с помощью FE-модели (Finite Elemente Modell) станка определяет формы собственных колебаний, включая моделирование контура регулирования, и делает возможным расчет различных вариантов. Оптимизация станка позволяет проверить (верифицировать) результаты моделирования на опытном образце и соответственно на окончательном станке. Именно таким образом с помощью специалистов фирмы SIEMENS была построена совершенно новая концепция портального многокоординатного обрабатывающего центра ALZMETALL G800, с успехом занявшего лидерскую позицию среди европейских машин своего класса.
Рис. 3 Модель АДЕМ VX - информационная основа для последующих расчетов по методу конечных элементов…
Если в целом говорить о геометрии современных фрезерных обрабатывающих центров с ЧПУ, то можно четко проследить два основных направления развития в отрасли, которые подразделяются в зависимости от расположения шпинделя: производство станков портального типа и станков консольного типа. Как правило, портальные машины обладают лучшими динамическими и статическими характеристиками, на их базе собирают многоосевые обрабатывающие центры для сложных типов обработки, показатели стойкости инструмента у данного типа станков наиболее высокие. Например, при обработке на портальном станке G800 тестовой детали, изготовленной из инструментальной стали 4X5MФС с закалкой до 55 единиц HRC, прорезка пазов осуществлялась концевой фрезой диаметром 10 мм за один проход на полную глубину паза 10 мм без СОЖ, процесс сопровождался минимальной вибрацией. Режимы резания при этом составили: число оборотов 3820, подача 610 мм/мин. Отсюда можно сделать еще один вывод, что машинный тест, а особенно выполненный в сложнейших производственных условиях на предельных значениях всех параметров, объективнее и весомее любых теоретических выкладок.
Рис. 4 Проектирование в среде АДЕМ VX тестовой управляющей программы ЧПУ для 5-ти осевого станка с наклонно-поворотным столом. Высокоскоростная обработка.
танки с консольным размещением шпинделя хотя и не обладают подобной жесткостью, однако более широко распространены в связи с низкой стоимостью.
Горизонтальные обрабатывающие центры необходимо выделить в отдельную группу, поскольку конструкция их такова, что, даже располагая консольным шпиндельным узлом, имеют различной степени сложности мехатронные системы компенсации погрешностей для реагирования на внешние физические факторы при обработке. Например, на протяжении десятков лет основой горизонтальной компоновки была система противовесов консоли шпинделя, которой в помощь позднее пришла пневмогидравлическая система создания противодавления азотными аккумуляторами в опорных поверхностях консоли, дополненная гидростатическими направляющими с регулировкой давления. Масляная пленка (давление - 20 атмосфер) толщиной всего 20 микрон, формируемая на направляющих скольжения с покрытием из антифрикционного материала, активно поглощает ударные нагрузки во время обработки и продлевает срок службы инструмента. Увеличение стойкости инструмента – основная цель совершенствования конструкции современных станков, поскольку этот показатель сопутствует стабильности процесса резания и совокупной точности обработки.
Рис. 5 Гидростатические направляющие скольжения современного горизонтально-фрезерного станка с ЧПУ.
Говоря о точностных характеристиках современного оборудования с ЧПУ, нельзя не упомянуть о разных системах стандартов, на которые обычно ссылаются производители станков и дилеры в своих рекламных материалах. Например, при одном и том же показателе точности позиционирования немецкий стандарт VDI 3441 более требователен к исполнению тестовой задачи, нежели чем японский JIS. Согласно VDI 3441 измеряется точность позиционирования на всей длине пути у тестируемой оси перемещения узла станка, а JIS подразумевает меньшее количество измерений - всего лишь на части этих перемещений. В целом процедура проверки параметра повторяемости станка - длительный и трудоемкий процесс, при котором каждые 2,5 часа перемещений шпиндельного узла исследуется тенденция отклонений во всех плоскостях геометрии.
Современный шпиндельный узел представляет собой сложнейшую структуру электронных и электромеханических компонентов с широчайшими возможностями по самодиагностике и самонастройке. Самые известные европейские производители электрошпинделей - фирмы Kessler, Weiss, StepTec, Fischer и др., оснащают свою продукцию такими системами как: отслеживание, индикация и компенсация широкого спектра вибраций, перегрузок и тенденций к поломке узлов; мониторинг рабочей температуры; авторегулировка степени преднагрузки подшипников; периодическая автоподача смазки в узел и многое другое.
Подбор характеристик шпинделя при целевом использовании оборудования согласно технологическому процессу весьма важен для определения критических значений числа оборотов, мощности и момента вращения при составлении технического задания. Организация подбора и расчета режимов резания, выполненная в модуле CAPP системы АДЕМ VX позволяет использовать в этих целях каталожные данные мирового лидера по изготовлению инструмента - компании SANDVIK-COROMANT, и производить в режиме реального времени проверку соответствия характеристик используемого в технологическом процессе оборудования, создавая условия для внедрения новейших технологий.
Так, например, при обработке сплава AK12M2 можно использовать поликристаллический алмаз (пластина САНДВИК R590-1105M-PS5-NL CD10) в качестве инструментального материала. При обработке торцевой фрезой диаметром 80мм крейсерские режимы резания, при которых наиболее эффективно будет использован весь потенциал инструмента и достигнута максимальная стойкость, составят: скорость резания =3000 м/мин, число оборотов = 12 000, подача =11 000 мм/мин. Фреза для обработки карманов и полостей диаметром 32 мм с пластинами из твердого сплава R790-160420H-NM H13A имеет расчетные параметры: скорость резания =1150 м/мин, число оборотов = 11 500, подача =10 200 мм/мин. Итог – экономия основного времени и обеспечение лучших условий для максимальной стойкости инструмента, гарантированное качество поверхности. Столь впечатляющих результатов можно достигнуть только на сверхдинамичном, жестком, тяжелом и стабильном станке с ЧПУ.
Рис. 6 Интеграция каталожных баз данных инструмента SANDVIK в АДЕМ VX для выявления критических значений режимов работы шпинделя при выборе оборудования.
При этом нельзя забывать, что, как правило, одной динамики оказывается недостаточно для того, чтобы оптимально использовать физические возможности оборудования. В частности при обработке плоскостей, карманов и пазов корпусных деталей требуется обеспечить гладкость (без переломов и резких изменений вектора движения) траектории при переходе с одной эквидистанты на другую. Данная стратегия рекомендована производителями инструмента как наиболее благоприятная для высокоскоростного резания и реализована в полной мере при разработке управляющих программ УЧПУ в расчетном модуле CAM системы АДЕМ VX.
При комплексной обработке детали, а зачастую это может обеспечить только многоосевое оборудование, необходимо уделить внимание верификации или контролю размеров рабочей зоны, учитывая критические длины инструментов и размеры детали с учетом размера приспособления. Как правило, производители станков предоставляют такую информацию, особенно если рабочая зона в силу самой конструкции оборудования представляет собой сложную пространственную фигуру, получаемую обходом нулевой точки шпинделя по совокупности точек конечных перемещений. Анализ геометрии рабочей зоны, проводимый с помощью инструментария АДЕМ VX, позволяет выявить критические участки - коллизии, даже в тех случаях, когда сам шпиндельный узел имеет 2 и более осей поворота. Необходимо отметить, что данный процесс моделирования ситуаций в АДЕМ несоизмеримо выгоднее с экономической точки зрения, нежели практическая отработка технологии на реальном станке методом проб и ошибок.
Рис. 7 Проверка геометрии рабочей зоны 5-ти осевого портального обрабатывающего центра с применением моделирования процесса производства в АДЕМ VX.
Данный метод применим и к токарной группе оборудования, особенно к токарным станкам с более чем одной револьверной головкой и к токарно-фрезерным станкам. Здесь нельзя не упомянуть об основных мировых тенденциях развития конструкции токарных станков с ЧПУ, поскольку термины «комплексная (токарная, фрезерная, шлифовальная и т.д.) обработка» и «мультифункциональные станки» сформировались путем интеграции различных исполнительных устройств в одной машине, изначально предназначенной только лишь для токарной обработки тел вращения.
Приведем лишь некоторые инженерные решения, которые качественно и количественно расширили область применения токарных станков с ЧПУ. Использование дополнительного шпинделя (контршпинделя) позволяет обработать деталь с обеих сторон полностью в автоматическом режиме, погрешность такой переустановки на порядок ниже, чем вручную оператором. В системе ЧПУ для этого организован целый программный цикл, предусматривающий все особенности процесса, и для наиболее точных машин время перезахвата детали составляет порядка 7-ми секунд. Как правило, двухшпиндельные машины имеют 2 и более револьверные головки, в отдельных случаях оснащенных гидростатическими направляющими. Гидростатика хорошо зарекомендовала себя при работе резца «на удар», например, при снятии неравномерного припуска в процессе обработки детали от заготовки до готового изделия. Гидростатика самым благоприятным образом влияет на стойкость инструмента, что дает прямой экономический эффект. Говоря о комплексной многоосевой обработке на токарном станке, не стоит забывать, что мультифункциональные станки с возможностью выполнения силового фрезерования должны оснащаться не только моторизованным фрезерным узлом (мощность > 15 кВт, момент > 100 Нм), но и дополнительной осью C на главном или контр- шпинделе, обеспечивающей высокий момент вращения детали при низкой угловой скорости поворота.
Мировая тенденция сокращения не только основного, но и вспомогательного времени обработки, особенно в условиях крупносерийного и массового производства, послужила толчком к пересмотру самих основ классической компоновки токарных машин и появлению станков с вертикальным токарным шпинделем, обеспечивающим по принципу PICK-UP загрузку заготовок в зону обработки и выгрузку готовых деталей. Эта группа станков оснащается интегрированным устройством автоматизации подачи заготовок и готовых деталей - транспортным конвейером, который программируется как дополнительная ось устройством ЧПУ. Высокая жесткость и стабильность схемы вертикального станка позволила дополнить технологию шлифовальной операцией. «Точение + шлифование», а это значит один станок вместо двух, что дает неоспоримое экономическое преимущество, так же как и минимальный припуск на шлифовку (всего 20 мкм). Для сокращения основного времени вертикальные токарные центры оснащают несколькими рабочими зонами, с возможностью в каждой зоне проводить обработку одновременно несколькими инструментами. И как раз в этом случае возможность токарного модуля системы АДЕМ VX программировать несколько одновременно работающих инструментов представляется весьма и весьма эффективной. Надо сказать, что непревзойденная никем функциональность специализированного (в отличие от большинства программ) токарного модуля системы – итог практической работы не только с пользователями, но и с мировыми производителями токарного оборудования с ЧПУ.
Рис. 8 Одновременно работают два инструмента. Сокращение основного времени и времени подготовки производства - заслуга станка и системы АДЕМ.
Современные мехатронные решения станкостроения не перестают преподносить полезные сюрпризы конечным потребителям оборудования, делая труд заводчан все более интеллектуальным, а продукцию более качественной. В этих условиях готовность АДЕМ взять на себя роль главной информационной среды конструкторско-технологической подготовки производства при любых внешних изменениях в планах развития предприятия является стратегическим фактором обеспечения преемственности опыта специалистов, позволяет оперативно внедрять индивидуальные, новаторские и экономически эффективные решения на местах…
автор статьи: В.Ю.Феоктистов, технический директор ОАО «Национальный центр технологического перевооружения предприятий оборонно-промышленного комплекса»