Умные станки для высокопроизводительного изготовления качественных изделий
Виктор Камчаткин, Алексей Дудин, ООО "Центр отраслевых проектов", группа компаний "Солвер"
Все, кому приходилось пользоваться японской техникой, отмечают, что она максимально ориентирована на человека. Забота о человеке выражается в удобстве эксплуатации и обслуживания, эргономике, безопасности для оператора и окружающей среды. Эти достоинства нашли свое отражение и в оборудовании компании Citizen Machinery - одного из ключевых партнеров инженерно-консалтинговой компании "Солвер".
Станки Citizen-Cincom, о внедрении которых на производствах заказчиков мы хотим рассказать в этой статье, относятся к классу автоматов продольного точения с ЧПУ. Этот вид станков прочно занял свое место на рынке металлорежущего оборудования. Пришедшие на замену кулачковых автоматов, они существенно расширили возможности потребителей в производстве сложных деталей. Следует отметить, что первоначально укоренившееся мнение, что это оборудование предназначено исключительно для массового производства и сложно в переналадке, уже давно не соответствует действительности.
Производимые сейчас автоматы продольного точения представляют собой комплексы, позволяющие решать практически любые задачи металлообработки. К таким задачам можно отнести не только собственно сложную токарную и фрезерную обработку, но и нарезание зубчатых поверхностей, а с использованием специальных приспособлений - шлифовку и полировку. Их возможности расширяются также благодаря применению решений по автоматизации вспомогательных и контрольных процессов.
В настоящее время все чаще для реализации современных технологий в различных отраслях промышленности требуется более высокая точность механической обработки, выраженная в микронах. Токарные станки Cincom относятся к классу прецизионных, ведь недаром изначально они разрабатывались для производства деталей часов. Опыт компании в производстве часовых деталей положительно сказался и в области разработки оригинальных и эффективных технологий обработки, которые отвечают жестким требованиям по допускам и времени цикла при изготовлении деталей сложной формы и малого диаметра.
Все модели станков продольного точения Cincom оснащены шпинделем, противошпинделем и приводным инструментом, а также комплектуются несколькими инструментальными платформами. Компания Citizen Machinery первой среди станкостроительных предприятий стала применять линейные двигатели в станках серии R, что позволило значительно уменьшить размеры станков. Широкий модельный ряд станков позволяет обрабатывать как детали диаметром менее одной десятой миллиметра (при скорости вращения шпинделя и противошпинделя 20000 оборотов в минуту и выше и при использовании специализированного режущего инструмента), так и прутки диаметром до 38 миллиметров. Область их применения - часовая, электронная промышленность, производство электрических машин, электрических разъемов, валов электродвигателей, деталей точной механики, общее машиностроение, включая специальные метизы, детали гидравлических и пневматических систем, производство зубных имплантатов, медицинского инструмента и многое-многое другое.
Высокая производительность станков Cincom достигается благодаря тому, что многие функции в них автоматизированы. Кроме того, станки серии K, L и М способны быстро и с высоким качеством обрабатывать поверхности деталей весьма сложной формы. Для этого в них реализовано многооперационное и многоосевое управление для ведения одновременной обработки несколькими инструментами по нескольким осям.
Описание всех технологических возможностей, которыми обладают эти токарные автоматы, займет не одну страницу и выходит за рамки этой статьи. Поэтому ограничимся перечнем тех технологических решений, которые востребованы на российском рынке и применение которых было освоено специалистами нашей компании при реализации проектов для заказчиков. Это:
- изготовление особо длинных деталей (до 4 метров);
- изготовление деталей точной механики типа "трибка";
- изготовление электрических разъемов, в том числе с диаметром контактов менее одного миллиметра;
- обработка винтовых поверхностей методом вихревого фрезерования;
- обработка внутренних шестигранников;
- использование шлифовальных головок для изготовления точных профилей с повышенными требованиями к качеству поверхности;
- использование специализированных люнетных узлов для прутков с пониженным качеством поверхности;
- использование станций высокого давления (до 150 атм) для обработки глубоких отверстий;
- обработка сложных материалов, например, титана и др.
В станках Citizen используется технология LFV (Low Frequency Vibration cutting) или обработка с низкочастотными колебаниями. Основная ее цель - получение в процессе резания мелкой стружки, избежание возникновения навивания стружки и, как следствие, вынужденной остановки станка. Для этого станки оснащены специальным блоком управления, который в процессе обработки придает режущему инструменту осциллирующее движение, в результате которого точение производится не по винтовой траектории, а по сложной кривой. Если сделать мгновенную фотографию поверхности обрабатываемой детали, то она будет похожа на поверхность торцевого кулачка (рис. 1). Во время первого оборота формируется первый "кулачок", на втором обороте - второй, но со смещением на 90°, при котором врезающее движение снимает излишки материала "кулачка". Эта технология применима для обработки всего спектра материалов и дает следующие преимущества:
- общее снижение усилий обработки;
- отсутствие нароста на режущей кромке;
- увеличение срока службы инструмента;
- сокращение времени простоя станка из-за необходимости убирать стружку.
Рис. 1. Мгновенное изображение обрабатываемой поверхности при использовании технологии LFV
Несмотря на то, что современные автоматы продольного точения уже давно не являются кулачковыми, а оснащены программным управлением, в сознание многих они остаются машиной, предназначенной для выпуска нескольких наименований деталей большими партиями. В целом, главное его предназначение именно такое, но современные "продольники" нисколько не уступают в универсальности и скорости переналадки револьверным станкам. На написание программы и настройку на изготовление новой детали с нуля до запуска партии требуется время порядка половины смены. Полностью перестроить станок и барфидер (устройство подачи пруткового материала) с одной детали на другую, заранее освоенную, можно за полчаса, а если часть инструмента и оснастки не меняется, еще быстрее. Вплоть до простой смены программы за несколько секунд. От универсального станка автоматы сейчас отличаются только особой компоновкой и тем, что работают с прутком и самостоятельно загружают заготовки и выгружают детали. Все это соответствует современным требованиям, предъявляемым к современному металлообрабатывающему оборудованию, способному оперативно перестраиваться с выпуска одной продукции на другую.
Для токарного автомата используется прутковый материал с квалитетом h9. Чаще всего это трехметровые прутки, которые подаются в станок с помощью барфидера. В канал барфидера непрерывно закачивается масло и пруток вращается, не касаясь стенок. Это позволяет работать без лишних вибраций и биений на больших оборотах. Главный шпиндель станка подвижный, он обеспечивает продольное перемещение прутка, а инструмент стоит близко к люнетному поддерживающему узлу. Именно эта конструктивная особенность является главным преимуществом токарных автоматов, т.к. позволяет делать детали длинные и точные без их отжима режущим инструментом. В зависимости от комплектации станки имеют большое количество различных вариантов внутренней компоновки инструментов и различных приводных систем. Противошпиндель есть во всех станках, он позволяет полностью обрабатывать деталь за одну операцию и выгрузить в приемник.
Широчайшее применение автоматы Citizen нашли в изготовлении деталей медицинской тематики. Титановые медицинские винты со специальной резьбой для костей изготавливаются только на токарных автоматах (рис. 2). Их резьба очень глубокая, а материал титан сложен в обработке. Классическими методами такую не нарезать. Поэтому применяется специальный метод и оснастка - вихревое фрезерование специальной головкой (рис. 3).
Рис. 2. Медицинские винты
Рис. 3. Головка для вихревого фрезерования
При нарезании резьбы вихревой головкой не требуется предварительной проточки прутка, резьба формируется за один проход. Преимуществом вихревой головки также является возможность изготовления резьбы большой длины. Длинные винты с метрической резьбой - также область применения этого приспособления. Такие технологии используются, например, на "Сосенском приборостроительном заводе" (г. Сосенский) в производстве деталей приборов.
Фирма "Ортос" (г. Санкт-Петербург) изготавливает стоматологические имплантаты (абатменты, винты и другие компоненты, необходимые для зубного протезирования). Для этого используется станок Citizen M16, поставленный нашей компанией. Все детали производятся из титана Grad 5, который очень вязок и, соответственно, труден в обработке. Для облегчения процесса обработки станок был укомплектован станцией высокого давления с рабочим давлением 130 атмосфер. Напор масла, попадающего в зону резания, эффективно ломает стружку и улучшает качество обработки. Такие устройства позволяют сохранять высокую производительность, поскольку, несмотря на повышенный износ, инструмент используется на максимальных режимах. Использование станции высокого давления также позволяет серьезно увеличивать срок службы инструмента - в некоторых случаях в разы. Это особенно важно для миниатюрного и дорогостоящего инструмента. Соответственно, сокращается доля инструмента в себестоимости выпускаемой продукции.
При использовании СОЖ под высоким давлением в рабочей зоне образуется много масляного тумана. Поэтому станок обычно комплектуется специальной системой вытяжки. Система не просто отводит масляный туман, но и собирает СОЖ и возвращает ее обратно в бак станка для повторного использования. На такого рода устройства тоже стоит обращать внимание, поскольку простое удаление масляного тумана из рабочей зоны станка сопровождается большим расходом СОЖ.
Обработка титана также сложна тенденцией к его воспламенению. Поэтому станки, обрабатывающие тот материал, мы комплектуем системой автоматического пожаротушения. Использование системы абсолютно оправдано и необходимо, она не раз спасала станки наших заказчиков.
Производимые фирмой "Ортос" абатменты имеют углубление под ключ типа torx. Для этого в крепеже необходимо точное фрезерование внутреннего контура малоразмерным инструментом. А вот при изготовлении внутреннего шестигранника мы использовали метод прошивания свободно вращающимся инструментом, который имеет небольшой угол наклона (рис. 4). Вращающиеся прошивки хорошо зарекомендовали себя высокой скоростью работы. Фирма "Ортос" производит большое число наименований продукции небольшими партиями, но различных типоразмеров. И здесь, как нельзя более полно проявляет себя гибкость станка. Так, в первую смену станок изготавливает винты, а во вторую производятся комплектные детали - бобышки.
Рис. 4. Свободно вращающаяся прошивка
Дочернее предприятие "Солвер" - компания "Производственные решения" - уже продолжительное время производит на станках Cincom детали для стоматологической фирмы "ТОР ВМ" (г. Воронеж). Объем производства измеряется десятками тысяч деталей в год. Из нержавеющей стали производятся детали "Дискодержатель" для шлифовки зубов, а также инструментальные ручки. Деталь "Ручка" (рис. 5) интересна двумя особенностями. Это большое соотношение длины к диаметру, а также спиральные канавки, заменяющие накатку. При технологической сложности или невозможности изготовления детали с накаткой большой длины в одной операции мы делаем фигурную канавку длинного шага по всей детали, причем это может быть несколько ниток в перехлест. По мнению наших заказчиков, полученные таким образом поверхности прекрасно заменяют традиционную накатку с точки зрения удобства работы с инструментом.
Рис. 5. Деталь Ручка
Сложность этой технологии заключается в том, что главный шпиндель не может за один раз подать в рабочую зону пруток достаточной длины, поскольку не хватает длины единичного хода. Поэтому для обработки таких деталей задействуется противошпиндель. Сначала производится обработка начальной части детали. Затем противошпиндель перехватает обработанную поверхность и держит пруток с деталью неподвижно, шпиндельная цанга открывается, и шпиндель отходит от люнетного узла в начальное положение, после чего снова закрывается. После этого можно открыть цангу противошпинделя и начать обработку следующей части детали или можно продолжить обработку детали, зажатой двумя шпинделями.
При обработке деталей большой длины одной из особенностей является удаление деталей из рабочей зоны - их невозможно извлечь стандартным уловителем, так как они не поместятся в приемник готовых деталей. Для решения этой задачи мы используем опцию "Обработка длинных деталей". Она представляет собой трубу, проходящую сквозь противошпиндель, а также устанавливаемый рядом со станком лоток приемника. Труба постепенно заполняется деталями, когда каждая последующая деталь толкает предыдущую и затем постепенно попадают в приемник накопителя.
Помимо описанного примера замены накатки, предложенный нами способ получения винтовой поверхности заменяет накатку, используемую для изготовления валов электрических машин для их последующей фиксации в пластмассовые элементы роторов или заливки пластиками для формирования корпусов роторов. Детали схожей конструкции были внедрены нами на предприятии "Bosch Power Tools" в городе Энгельсе. Следующим важным моментом производства валов перфораторов "Bosch" является то, что после токарных обработки на автоматах производится операция шлифовки, для чего в валах выполняются центровые технологические отверстия. Стойкость центровых сверл была наименьшей из всех применяемых инструментов. Здесь следует заметить, что все заказчики всегда ждут от токарных автоматов высокой производительности. Поэтому во избежание вынужденных простоев и лишних трат из-за поломки инструмента все станки Citizen оснащаются системой контроля поломки отрезного резца. Ведь если изготовленная деталь не будет отрезана от прутка, при старте нового цикла режущие инструменты сломаются. Поэтому специальный датчик всегда проверяет, произошла отрезка или нет. Если деталь не отрезана, то цикл работы станка будет остановлен. В случае с осевым инструментом такой остановки цикла не произойдет, поскольку состояние осевых инструментов обычно не контролируется. Станок будет производить детали до тех пор, пока оператор визуально не обнаружит отсутствие отверстий. Чтобы решить этот вопрос нами были установлены в станке специальные датчики, производящиеся специализированной компанией. Эти датчики контактным способом проверяют целостность осевого инструмента после каждого цикла работы. Эти механизмы были добавлены в станки "Bosch Power Tools" нашими сервисными инженерами.
Также для изготовления валов было специально спроектировано устройство для накатки резьбы, смонтированное на станке Citizen K16 (рис. 6). Это приспособление позволяет получать резьбу М7 на длине 15 мм за две секунды при обеспечении высоких требований к точности и шероховатости.
Рис. 6. Устройство для накатки резьбы
Заказчиками, которые производят точные приборы, предъявляются требования к обработке деталей, не допускающие наличия малейших заусенцев (рис. 7). При этом часто эти детали изготавливаются из труднообрабатываемых материалов. В таких случаях нами применяется прекрасно зарекомендовавшие себя простые трехроликовые резьбонакатки, которые работают как плашка. Зачастую в подобных деталях также не допускаются острые кромки ни на одной поверхности. Наличие в станках Cincom большого числа приводных блоков, расположенных в разных осях, позволяет притуплять все кромки тонкой угловой фрезой.
Рис. 7. Приборный винт
Основными потребителями станков Cincom серии R в Европе являются Швейцария и… Россия. Швейцарские потребители производят, в основном, свои знаменитые часы и измерительные системы. В России станок занимает нишу производства деталей приборов и электрических контактов. Завод "Элекон" (г. Казань) и "Иркутский релейный завод" уже много лет используют эти станки для производства широкой номенклатуры электрических контактов (рис. 8). Станки Citizen заменили старый заводской парк кулачковых автоматов.
Рис. 8. Электрические контакты
Уникальный опыт получен нашей компанией при внедрении этого оборудования в производство фирмы "Аэрокосмические системы" в городе Дубне. Это предприятие проектирует и изготавливает не привычные для других заводов электрические контакты. Для использования в авиации и космосе нужны изделия с существенно меньшими, чем обычно, габаритами и массой. Соответственно, размеры комплектующих их деталей также должны быть существенно меньше, чем в приборах общего назначения. Вместо деталей диаметром в несколько миллиметров мы внедрили в производство детали диаметром менее миллиметра, которые, в дополнение ко всему, содержат внутренние и радиальные отверстия (рис. 9).
Рис. 9. Электрические контакты, диаметром менее 1 мм
В случаях, когда речь идет о прутке меньше одного миллиметра или о сверле диаметром три десятых миллиметра, даже при помощи специальных приемов трудно выставить инструмент, не сломав его. Нужно иметь очень чувствительные руки и большой опыт. В таких ситуациях для облегчения работы наладчика и исключения поломки дорогостоящего инструмента из-за сложности процедуры мы применяем специальные станочные микроскопы (рис. 10).
При использовании такого микроскопа привязка инструментов проходит быстро и без риска сломать инструмент. Положение режущей кромки отчетливо видно, величину необходимой коррекции легко определить по имеющейся шкале (рис. 11).
Рис. 10. Установка инструмента с использованием специального станочного микроскопа
Рис.11. Наладка инструмента с помощью станочного микроскопа: слева - токарного, справа - осевого
При малых размерах обрабатываемых деталей и режущего инструмента, используемого в приводных позициях, скорость резания при обработке крайне мала, что негативно сказывается на процессе резания. Для задач, требующих использования микроинструмента, станок может комплектоваться высокоскоростными пневматическими или электрическими шпинделями, достигающими скорости вращения до 100 000 оборотов в минуту.
Наши специалисты имеют опыт модернизации станка подобными шпинделями, включая модернизацию электронных компонентов станка. Такие высокоскоростные шпиндели расширяют функционал станка, давая возможность использовать шлифовальные головки для обработки сложных поверхностей близ оси вращения детали, где скорость резания резцом стремится к нулю. Такое случается, когда требуется высокое качество поверхности, которое не достигается резцом вследствие нулевых скоростей резания.
Уникальной возможностью станков Citizen является возможность их превращения в модификацию GBL (Guide Bush Less) - вариант использования станка без люнетной втулки. При необходимости оператор может демонтировать люнетное поддерживающее устройство, превратив автомат продольного точения в обычный станок консольного точения, сохранив при этом все преимущества компоновки инструментальных платформ и приводных блоков, а также возможность автоматической работы. Что даёт такая возможность? Без люнетного узла можно применять не калиброванные прутки, а прутки с пониженным качеством поверхности при условии обработки не длинных деталей (до 2,5 диаметров). В нашем опыте использование этой функции стало решением задачи обработки прутков после термообработки с повышенной остаточной кривизной и окалиной. Как правило, в печь закладывают прутки небольшой длины, поэтому использовать в таких случаях устройство подачи прутка с масляной поддержкой невозможно.
О качестве применяемого прутка и получаемых из него деталей стоит сказать отдельно. Конечно, производитель рекомендует минимально допустимое качество материала h9. Ведь при обработке на классическом токарном автомате за один установ нельзя получить деталь точнее, чем сам используемый пруток.
Но в реальности не всегда на станках обрабатывают качественный пруток. Что делать, если нет возможности приобретать качественный материал или подготавливать его на предприятии. Мы применяем устройство, способное компенсировать неточности прутка, и из прутка недостаточного качества получать в автоматическом цикле годную деталь, а из точной заготовки сделать ещё более точную деталь. Речь идет о люнетной втулке с системой автоматической компенсации колебаний диаметра прутка и его кривизны. Она включает в себя специально разработанную цангу, состоящую из раздельных частей, соединенных пружинными механизмами, и пневматической аппаратуры.
Система автоматической компенсации в подобных случаях либо сжимает цангу и уменьшает ее диаметр до текущего, либо, наоборот, при увеличении диаметра прутка она разжимается. Таким образом, реализуется непрерывное слежение за текущим диаметром прутка и постоянная подстройка. В европейских странах ее применяют для прутков очень высокого качества с целью получения еще более высокой точности и стабильности обработки. Но эта система показала свои возможности в реальных условиях работы с некалиброванным материалом, который, казалось бы, нельзя использовать в автоматах. Дополнительной функцией такой люнетной втулки является возможность жестко и без зазоров зажать деталь в цанге, что может быть важно при точной фрезерной обработке.
Заканчивая наш рассказ о современных и высокотехнологичных автоматах продольного точения фирмы Citizen, хотелось бы отметить, что мы на нашем опыте и опыте наших заказчиков не раз убеждались - это оборудование позволяет не только эффективно решать насущные производственные проблемы, но и дает уверенность в том, что возникающие в дальнейшем задачи будут также успешно решены. Кроме того, их технологические возможности расширяют простор технической мысли, стимулируют к освоению продукции новых видов и лучшего качества.
Компания Солвер давно и продуктивно сотрудничает с компанией Citizen Machinery - лидером в области производства токарных автоматов продольного точения. За более чем 15 летнюю историю нашего взаимодействия многие российские компании стали обладателями станков Cincom. Так, например, станок Citizen работает на Ковровском заводе торгового оборудования с 2005 года, а в ставропольской "Энергомере" станки этого производителя эксплуатируются с 2007 года.
Станки Citizen Cincom целиком и полностью вписываются в концепцию умного производства, продвигаемую компанией "Солвер", и уже многим заказчикам позволили качественно решить свои технологические проблемы. Использование этих станков в производстве обеспечило нашим заказчикам повышение конкурентоспособности как выпускаемой ими продукции - позволяя изготавливать ее качественно и в короткие сроки, так и предприятий в целом - обеспечивая широкие технологические возможности для производства новых и уникальных изделий в будущем.
Мы уверены, что круг пользователей этого оборудования будет расширяться. Очевидно, что при выборе оборудования для клиента важны не только возможности собственно оборудования, но и те компетенции, которыми обладают специалисты фирмы-поставщика, и какую помощь при внедрении станков они могут оказать.