Токарные станки с числовым программным управлением ЧПУ

Конструкция токарного станка и принцип его работы

Токарный станок с ЧПУ по металлу любой модификации состоит из следующих частей:

• основание станка, месторасположения всех его частей – станина;
• в шпиндельной (передней) бабке располагаются основные узлы механизма – коробка подач и шпиндель;
• суппорт – при помощи верхней и нижней кареток резец станка фиксируется во время работы;
• коробка подач – механизм, обеспечивающий подачу движения суппорту с резцом;
• электрочасть – состоит из электромотора и блока управления электрооборудованием;
• револьверные головки – обеспечивают оперативную смену инструментов во время работ.

Револьверная головка станка
Токарный ЧПУ работает по такому принципу:

• металлические заготовки зажимаются в конструкции станка в определенном положении, по горизонтали или вертикали;
• затем резец, контролируемый программным обеспечением, обтачивает их, придавая заданную форму.

Обзор технических характеристик

Обработка деревянной заготовки

Все токарные станки с ЧПУ можно условно разделить на два вида — с горизонтальным или вертикальным расположением резцедержателя. Чаще всего применяются модели первого типа, так как они имеют расширенный функционал. Для ознакомления с ним рекомендуется прочитать содержание паспорта оборудования. Для этого необходимо знать основные технические параметры установки.

Прежде всего учитываются габариты и вес оборудования. Они напрямую влияют на место установки, определяют требования к его обустройству. Также следует учесть суммарную мощность электрической части. Общая нагрузка не должна превышать номинальной для электросети.

Основные технические и эксплуатационные параметры токарных станков с ЧПУ:

• максимально допустимый диаметр заготовки. Учитывается способ установки — над суппортом или над станиной;
• длина детали и ее масса;
• величины смещения каретки по осям координат. Для этого показателя важным является степень погрешности;
• пределы частот вращения шпинделя головки, об/мин;
• диаметр отверстия шпинделя;
• характеристики подач;
• параметры револьверной головки. Количество устанавливаемых инструментов;
• характеристики резьбы, их тип и параметры формирования.

В качестве дополнительных компонентов следует учитывать свойства системы охлаждения и устройства для подачи СОЖ. Эти элементы оборудования необходимы для уменьшения степени нагрева детали и режущего инструмента. При большой продолжительности автономной работы необходима система удаления стружки.

Кроме характеристик токарного станка с ЧПУ важным являются параметры обрабатываемых деталей — свойства материала изготовления, конфигурация. Они учитываются при составлении программы для работы оборудования.

Особенности конструкции станков

Продуктивность и надежность нынешних токарных станков обусловлены особенностями конструкции. К ним относятся:

• предварительный разогрев узлов агрегата снижает тепловые деформации при обработке;
• эффективная виброизоляция;
• передаточные устройства в приводах токарных агрегатов лишены каких-либо зазоров;
• длина кинематических цепей и число механических передач существенно меньше;
• оснащение сигнализаторами обратной связи.

Для подобных устройств характерна высокая точность движений всех механизмов благодаря наличию износостойких направляющих с маленькой силой трения.

Направляющие качения обладают высокой жесткостью благодаря предварительному натягу, а направляющие суппорта и станины изготавливают из смеси фторопласта с чугуном или сталью. Поэтому увеличение скоростей работы не влияет на показатель трения.

Основные элементы конструкции станков имеют коробчатую форму и поперечные ребра. В последнее время иностранные производители начинают использовать полимерный бетон и синтетический гранит для изготовления станин, салазок и колонн токарных станков, для обеспечения максимальной жесткости и виброизоляции.

Шпиндели и шпиндельные узлы тоже модернизируются по сравнению с моделями обычных станков. Узловые опоры оснащаются износостойкими подшипниками, а конструкция шпинделей становится более сложной, с автоматическими фиксаторами и индикаторами для диагностики и мониторинга рабочего процесса.

Конструкция

Вне зависимости от разновидности модели, ее основные элементы остаются прежними:

• Станина. Простыми словами – это крепкий и надежный стол, который выдерживает большую массу, вибрации, но при этом остается неподвижным и удобным для использования. При крупном весе изделий рекомендовано крепить ножки на бетонном основании.
• Бабка. Это узел, который можно назвать рабочей зоной. Он отвечает за поддержание и перемещение изготавливаемой продукции. Всего их две – передняя и задняя. В первой располагается движок (под ней), переключение скоростей и шпиндель – он отвечает за вращение. Во второй – только фиксирующие элементы.
• Суппорт – подвижная часть, отвечающая за перемещение резца в нескольких плоскостях. Также здесь установлены крепкие зажимы, позволяющие фиксировать инструмент.

Ко вспомогательным устройствам можно отнести сам пульт управления. Его задача – программирование токарных станков с ЧПУ, на разных моделях работа с ним отличается в деталях, но суть остается прежней. С его помощью осуществляется распределение задач на все подвижные узлы оборудования, то есть на вращающиеся шпиндели (скорость, направление) и на суппорт. Встроенное компьютеризированное устройство самостоятельно выбирает последовательность действий, максимально возможную скорость металлообработки и контролирует процесс.

Еще одна вспомогательная система – СОЖ. Это поставка смазочно-охлаждающей жидкости в рабочую зону, а также удаление возникающей в ходе работы металлической стружки.

С такими машинами можно достичь высокой степени автоматизации. Действия оператора являются фактически факультативной.

Виды токарных станков с ЧПУ

Все машины следует поделить на 2 типа:

• горизонтальные станки, созданные для работы с небольшими, а, порой, даже мелкими деталями;
• вертикальные.

К горизонтальному типу относятся также компактные станки для домашнего применения.

Компактный токарный станок

Вид станка определяется положением направляющих – оно бывает наклонное, а также горизонтальное либо вертикальное.

Исходя из функций ЧПУ, машины могут иметь различные свойства:

• настольные токарные устройства – компактные станки для точения совсем маленьких деталей;
• резка труб и валов – станки предназначены для обточки очень длинных и сложных деталей, а также они способны обтачивать внутренние поверхности;
• резка втулок и валов – используются для вытачивания отверстий, обработки торцов и сложных тел вращения, нарезают резьбу;
• станки с повышенной производительностью – имеют повышенную жесткость благодаря направляющим скольжения, способны обтачивать любые детали из любого материала в непрерывном режиме;
• многофункциональные станки – справляются работами любого уровня сложности и любыми деталями.

Машины с программным управлением следует также разделить по назначению:

• центровые – обточка валов осуществляется в центрах, фиксируемых передней и задней бабками;
• патронные – задняя бабка здесь отсутствует, а патрон располагается в передней;
• патронно-центровые – имеют возможность обтачивать деталь только в патроне либо поддерживаться центром задней бабки.

Современные станки с ЧПУ

Маркировка токарного оборудования с ЧПУ

Система автоматизированного управления станков токарной группы может быть организована по трем основным схемам.

Контурная

Данная схема предполагает программирование траектории перемещения (криволинейной в том числе) рабочего инструмента и контроль над правильностью осуществления данной процедуры.

Позиционная

При реализации такой схемы программируются координаты точек, в которых должен оказаться рабочий инструмент после выполнения определенной технологической операции.

Адаптивная

Данная схема предполагает совмещение принципов работы двух предыдущих.

По маркировке отечественного токарного оборудования, оснащенного ЧПУ, достаточно просто определить категорию такого устройства.

Буквенно-цифровое обозначение, стоящее в конце маркировки, как раз и указывает на то, по какой системе в данном станке организовано числовое программное управление:

• Ф1 — станки, в которых рабочий инструмент перемещается по предварительно заданным координатам, при этом в них предусмотрена цифровая индикация;
• Ф2 — модели, где перемещение инструмента реализовано по позиционной схеме;
• Ф3 — токарное оборудование, в котором реализована контурная схема управления движением инструмента;
• Ф4 — модели токарных станков с ЧПУ с адаптивной (универсальной) системой управления.

Маркировка токарных станков с ЧПУ

В маркировке некоторых моделей токарных станков с ЧПУ можно встретить буквенно-цифровое обозначение С1-С5, которое говорит о том, что такое оборудование отличается особыми технологическими возможностями. В частности, модели, в маркировке которых присутствуют обозначения С1 и С2, обладают невысоким пределом подач и небольшим диапазоном их регулировки. А вот агрегаты, в маркировке которых есть символы С3, С4 и С5Т, наоборот, имеют увеличенный диапазон подач и отличаются широкими возможностями по их регулировке.

Благодаря своим расширенным возможностям модели станков, в чьей маркировке присутствуют символы С4 и С5, можно использовать для эффективного выполнения многих технологических операций, например, нарезания наружной и внутренней резьбы, обработки заготовок, имеющих цилиндрическую, коническую и фасонную форму, в том числе и ступенчатую. Стоит отметить, что обрабатывать на таких станах можно как наружные, так и внутренние поверхности, отличающиеся сложностью своей конфигурации.

Основные характеристики токарных станков ЧПУ

Современные модификации токарных ЧПУ обладают следующими характеристиками:

• привод обладает мощностью до 40 кВт;
• оснащение трехфазными моторами или моторами постоянного тока для возможности изменения скорости вращения шпинделя;
• вращение главного резца до 2 тысяч об/мин;
• возможность обработки очень мелких (на компактных устройствах) и довольно крупных заготовок – от 100 мм до 1 тыс. мм;
• широкий диапазон подачи – некоторые модификации обладают способностью изменения подачи примерно в 1,5 тыс. раз;
• множество настроек позволяет задавать перемещение резца по более сложным траекториям в сравнении с мануальным управлением;
• управление осуществляется по осям координат – чем сложнее работа, тем больше координат задействовано в процессе (чаще всего используется управление по двум координатам, малогабаритные танки используют только такую систему, но есть модели, где необходимо задать до 5 координат одновременно);
• станок часто содержит до 12 резцов;
• многие модели оснащены функцией удаления стружки и пыли.

Вытяжная установка для удаления пыли в станке

Сувенирная продукция и предметы декора.

Примеры работ:

Упаковка бутылки для вина. Пользователь Сергей К. (г. Гагарин) Станок Моделист4060

Сувенир ДОМБАЙ. Пользователь Александр Б. (г. Краснодар) Станок Моделист3040

Часы и вешалка. Пользователь Никита Т. (г. Пермь) Станок Моделист3040

3. Мебельная продукция (стулья, столы, обналичники, становые и потолочные модели, балясины и др.). Примеры работ:

Фасад. Пользователь Сергей В. (г. Саратов) Станок Моделист4060

Обналичник. Пользователь tech. (г. Чаплыгин) Станок Моделист3040

Чтение маркировки оборудования

Маркировка станка состоит из цифр и букв. Первая цифра на маркировке токарных станков всегда 1. Вторая цифра обозначает тип станка. После этого следуют обозначения высоты центров, например, цифры «2» или «20» означают высоту или «30» – соответственно высоту центров в 300 мм.

А также на маркировке станка есть буквенное указание класса точности:

• А – очень высокий;
• В – высокий;
• С – особо точный (прецизионный);
• П – повышенный;
• Н – нормальный.

Компактные модели станков чаще всего имеют класс точности «В».

По маркировке станков российского производства легко понять, каким именно управляющим комплексом они оборудованы. Существуют три типа числового программного управления:

• позиционная система контроля конечных координат по окончании процесса обработки;
• контурная система – исполнительные органы станка перемещаются на заданные расстояния вдоль осей координат;
• адаптивная система сочетает в себе возможности всех систем.

Какая именно система установлена на конкретный станок, легко определить по последней букве и цифре на названии модели:

• Ф1 – задание координат происходит перед началом работы;
• Ф2 – агрегат оснащен позиционной системой ЧПУ;
• Ф3 – управление осуществляется контурной системой;
• Ф4 – на станок установлена адаптивная система числового программного управления.

Целесообразность применения

Когда, в условиях производства, выгодно приобретать оборудование с программным управлением?

• Деталь стоит очень дорого (вал или лопатки турбин, авиационные запчасти, детали медицинского оборудования), а значит, нужно исключить саму вероятность ошибки.
• Изделия выпускаются серийными партиями.

• Деталь имеет сложную поверхность. Для ее механической обработки потребуется выполнить множество технологических операций.
• В процессе изготовления детали возможны небольшие изменения в ее конструкции. На станке ЧПУ изменения в управляющую программу можно внести сразу с пульта оператора агрегата.
• У детали маленький квалитет по допуску (первые 6 из 19). Если на станках установлено числовое программное управление, то допустимые отклонения в размерах изготавливаемой детали определяются дискретным шагом привода, который не превышает 3 мкм.

Программирование токарного оборудования

Для эффективного и качественного выполнения работы потребуется в первую очередь грамотно и точно оставить управляющую программу.

Программирование токарного оборудования важный и ответственный процесс

Программирование конкретной операции по обработке заготовки предполагает специальный маршрут, включающий в себя:

• Разделение на этапы: черновой, чистовой и отделочный. Для упрощения всего процесса и повышения производительности, черновой и чистовой этапы могут быть объединены в один.
• Строгое соответствие конструкторской и технологической документаций минимизирует отклонения при базировании и фиксации заготовки.
• Полное изготовление детали при минимальном количестве циклов.
• Оптимизация процесса изготовления: тела вращения точатся от максимально жесткой зоны к минимально жесткой во избежание создания концентраторов напряжения.
• Технология изготовления деталей на станках с программным управлением часто состоит из нескольких операций. Операции, в свою очередь, могут выполняться из нескольких проходов.

Существуют определенные алгоритмы программирования, гарантирующие финальное качество обрабатываемой детали. Такие алгоритмы включают:

• количество проходов;
• принцип обработки заготовки;
• обрабатывающие инструменты (резцы, фрезы и прочие).

Резцы

Есть станки с обоймами под все обрабатывающие инструменты.

В случае если такой возможности нет, необходимо проводить замену обрабатывающих инструментов между циклами обработки. Современные технологии позволяют также устанавливать несколько резцов в обойму либо использовать многогранные резцы для быстрого устранения дефектов обработки путем поворота резца.

Самые распространенные виды обрабатывающих инструментов:

• расточные, с жестко фиксированными резцами;
• метчики, для нарезания резьбы;
• ромбовидные, для фрезерования отверстий и выведения геометрии детали.

Обрабатывающие инструменты устанавливаются в обойму упорядочено, в порядке их применения в цикле. Началом цикла обработки считается касание рабочей заготовки вершиной резца.

Предметы игровой и учебной деятельности (шахматы, нарды, игрушки, ручки для ножей и др.).

Примеры работ:

Клешня робота манипулятора для кружка технического творчества. Пользователь Эдуард Н. (г. Краснодар) Станок Моделист3030

Макеты поселений на Луне и Марсе. Исполнитель ООО «АДМ «РАДИЗАЙН» (г. Самара), А.П. Раков, Ю.С. Ратиева. Станок Моделист4060.

Модели Эйфелевой башни и пистолета. Пользователь Сергей К. (г. Гагарин) Станок Моделист4060

Игрушки. Пользователь petr c

Настольные токарные станки

Настольные станки применяются для обточки деталей малого размера.

Настольный токарный станок

Несмотря на небольшой размер, малый вес, а также гораздо меньшую скорость работы по сравнению с промышленными машинами, малогабаритные агрегаты способны выполнять множество различных операций.

В надежности и качестве выполненной работы они ничем не уступают полноразмерным моделям – ведь современные настольные станки также имеют числовое программное управление. Такие станки чаще всего применяются в автосервисах, мастерских, учебных заведениях и, конечно, в быту.

У домашних агрегатов немало достоинств:

• невысокая цена;
• подключение к питанию в 220 B (также рекомендовано использовать сеть в 380 B);
• минимальное энергопотребление по сравнению с большими станками – компактные агрегаты экономят электроэнергию;
• довольно тихая работа;
• из-за малых габаритов идеально подходит для небольших помещений: мастерских или сервисов;
• удобство и простота использования – работа не требует серьезной подготовки и множества специальных знаний;
• надежность и долговечность – при правильной и бережной эксплуатации настольный агрегат прослужит много лет, не требуя ремонта или замены;
• при установке дополнительных элементов легко расширить функциональность станка, например, за счет выполнения сверлильных и фрезеровочных работ.

Настольный токарно фрезерный станок

Токарные станки являются неотъемлемым атрибутом крупных промышленных предприятий, они позволяют решать широкий спектр задач по обработке не только металла, как это было на первых моделях станков, но и пластика, дерева, а также других материалов.

Назначение

Обработка материала происходит с помощью инструментов из прочной и острой инструментальной стали. Такое механическое воздействие позволяет рассечь стальной цилиндр (шар, конус), снять с него верхний слой, а также произвести сквозное или глухое отверстие.

Можно выделить шесть основных задач, которые реализуются методом точения:

• обтачивание поверхности – производится снятие стружки снаружи детали;
• расточка изнутри – есть возможность увеличить внутреннюю полость или произвести операции по приданию нужной формы;
• подрезка торцевой части – срез, край заготовки подвергается обработке;
• нанесение канавок или резьбы;
• сверление отверстий посредством сверла или метчика;
• распиловка цилиндрического стального прута, трубы.

Это стандартные функции классического вида токарного станка с ЧПУ. Но есть универсальные модели, которые включают также фрезерные инструменты. Соответственно, на них можно выполнять и работы по фрезеровке.

С помощью оборудования можно работать со следующими деталями:

• втулки;
• валы;
• шарики, например, для подшипников.

Числовое программное управление также позволяет изготавливать изделия сложной конфигурации. Обычно это не крупносерийное производство, а индивидуальные заказы по заранее подготовленным чертежам.

Конструктивные особенности

Компоновка токарных станков с ЧПУ мало отличается от классических моделей: разве что наличием дополнительных элементов в виде шаговых электродвигателей, обеспечивающих точную настройку положения каретки, и сервоприводов.

Основные компоненты

Основными конструктивными компонентами станка с ЧПУ являются:

• основание )станина): несущая конструкция, на которой базируются все остальные элементы станка. Попутно она уменьшает колебания, возникающие от работы электродвигателя;
• бабка шпиндельная: служит для установки токарного патрона. Принимает на себя крутящий момент от силовой установки. Параметры вращения меняются посредством коробки скоростей;
• суппорт: обеспечивает смещение резца относительно заготовки. Состоит из нижней и верхней кареток. Первая обеспечивает перемещение узла по направляющим станины, во второй закреплен резцедержатель;
• система подачи: осуществляет смещение суппорта по плоскостям – одной или двум.

Увеличить производительность станка можно установкой револьверной головки. Она имеет сложную конфигурацию, позволяющую устанавливать одновременно несколько резцов.

Существует еще одно устройство, устанавливаемое при необходимости на токарный станок с ЧПУ – планшайба. Она используется при обработке деталей, несимметричных относительно оси – шатунов, рычагов, корпусов и пр.

Если на станке обрабатывается крупногабаритная заготовка, возникает необходимость равномерного распределения ее веса между задней и передней бабками. Для этой цели используется дополнительное устройство – тумба.

Технические характеристики

Токарные станки с ЧПУ выпускаются с вертикальным и горизонтальным расположением резцедержателя. Наиболее распространены модели второго типа (например, токарный станок с ЧПУ с прутковой подачей). При выборе оборудования в первую очередь обращают внимание на его вес и суммарную мощность: эти параметры являются определяющими при выборе места установки и оценке возможностей электросети предприятия.

Основными техническими и эксплуатационными характеристиками являются:

Сравнительные цены на станки и запчасти

• максимальный диаметр обрабатываемой заготовки;
• способ ее установки – над станиной или суппортом;
• вес заготовки и ее длина;
• величина смещения каретки по координатным осям;
• предельные параметры вращения шпинделя и диаметр его отверстия;
• количество инструментов, которые можно установить в револьверную головку;
• характеристики подач.

Для увеличения автономной работы станки оборудуются системами охлаждения и удаления стружки. СОЖ в зону резания подают специальные устройства.

Эксплуатационные свойства

Блок ЧПУ обеспечивает работу токарного станка в автоматическом или полуавтоматическом режимах. В первом случае скорость обработки повышается, однако контроль за качеством выполнения операции снижается. Поэтому при сложной обработке применяется второй режим.

Если активизирован полуавтоматический режим, станок выполняет только одну операцию. Для запуска следующей нужно вмешательство оператора. Такую методику применяют в единичном производстве. После замера фактических характеристик имеется возможность откорректировать программу.

В массовом производстве оборудование работает в автоматическом режиме с использованием стандартных программ. Они подлежат изменению лишь в случае перехода на изготовление другого типа детали.