Токарно-фрезерные центры с ЧПУ: что это такое и как выбрать один

Что на самом деле представляет собой токарно-фрезерный центр с ЧПУ

Токарно-фрезерный центр с ЧПУ, также называемый токарно-фрезерным центром, многозадачным станком или токарным станком с ЧПУ с приводным инструментом, — это станок, который выполняет как вращательные токарно-фрезерные операции, так и операции ротационного фрезерования, сверления и нарезания резьбы за одну установку без снятия заготовки со шпинделя. Традиционная обработка разделяет эти операции на специализированные токарные станки и обрабатывающие центры, требуя от оператора вручную переносить деталь между станками, повторно фиксировать ее и повторно привязывать ее к базе для каждой последующей операции. Каждый перенос приводит к позиционной ошибке, которая накапливается в процессе обработки, и для ее устранения требуются большие допуски или контроль после обработки. Токарно-фрезерный центр исключает все эти промежуточные настройки, выполняя всю последовательность обработки — или большую ее часть — за один зажим.

Станок оснащен шпинделем токарного станка с ЧПУ с осью C (возможность поворотного индексирования вокруг оси шпинделя) или полным контурным управлением в сочетании с револьверной головкой с приводом или вторичным фрезерным шпинделем, который удерживает и вращает режущие инструменты независимо от основного шпинделя заготовки. Эти возможности приводного инструмента отличают токарно-фрезерный центр от стандартного токарного станка с ЧПУ — сами инструменты могут вращаться, что позволяет сверлить со смещением от центра, поперечное сверление, плоское фрезерование, нарезание пазов и фрезерование резьбы на цилиндрических или сложных призматических элементах без изменения положения детали. Высокопроизводительные токарно-фрезерные центры добавляют перемещение по оси Y перпендикулярно осям X и Z, что позволяет выполнять операции фрезерования с полным смещением на элементах, которые не лежат на центральной линии детали - возможность, необходимая для обработки эксцентриковых отверстий, шпоночных пазов, лысок и элементов со сложными углами, которые в противном случае было бы невозможно выполнить на токарном станке.

Бизнес-кейс для Токарно-фрезерные центры с ЧПУ является привлекательным для любого цеха, производящего сложные вращающиеся детали в средних и больших объемах. Устранение межстаночных перемещений сокращает общее время цикла, сокращает запасы незавершенного производства, устраняет необходимость в промежуточных контрольно-измерительных станциях и позволяет одному оператору станка контролировать полное производство детали. В смешанных средах, где время наладки составляет значительную часть общей стоимости детали, сокращение количества установок с трех или четырех станков до одной дает немедленный и измеримый прирост производительности.

Конфигурации основных станков: как строятся токарно-фрезерные центры

Токарно-фрезерные центры с ЧПУ — это не один тип станка, а семейство конфигураций, каждая из которых оптимизирована для различного баланса сложности, размера заготовки, объема производства и бюджета. Понимание того, чем различаются эти конфигурации, необходимо для выбора подходящего станка для конкретных производственных требований: станок с чрезмерными характеристиками для работы приводит к ненужным капитальным затратам и сложности, в то время как станок с недостаточной спецификацией требует компромиссов, которые сводят на нет цель многозадачной обработки.

Токарный станок с ЧПУ с приводным инструментом и осью C

Конфигурация начального уровня для токарно-фрезерной обработки представляет собой токарный станок с ЧПУ с револьверной головкой с приводом и позиционированием шпинделя по оси C. Револьверная головка оснащена статическим токарным инструментом и приводными фрезерно-сверлильными головками, приводимыми в действие внутренним двигателем в корпусе револьверной головки. Главный шпиндель индексируется в любое угловое положение под управлением ЧПУ по оси C, что позволяет приводным инструментам выполнять осевое и радиальное сверление, фрезерование и нарезание резьбы в любом синхронизированном положении по окружности детали. Эта конфигурация охватывает большинство применений на токарно-фрезерных станках для компонентов валов и фланцев с подачей прутка: поперечные отверстия, отверстия с осевой резьбой, шестигранные или квадратные приводные элементы и простые лыски. Ограничением является отсутствие оси Y — все операции фрезерования должны выполняться на центральной линии детали или в позициях, достижимых за счет вращения оси C в сочетании с позиционированием инструмента по оси X, что ограничивает элементы смещения от центра теми, которые могут быть получены путем винтовой интерполяции в плоскости C-X.

Токарно-фрезерный центр с осью Y и фрезерным шпинделем

Добавление истинной оси Y — обычно от ±50 до ±100 мм перемещения перпендикулярно плоскости XZ — к револьверному станку с приводным инструментом позволяет выполнять фрезерование со смещением от центра, сверление эксцентрикового отверстия, нарезание шпоночных пазов и любые элементы, которые не лежат на оси вращения детали. Ось Y — это способность, которая отличает настоящий токарно-фрезерный станок от токарного станка с возможностью побочного фрезерования. Станки этой категории также обычно включают в себя вспомогательный контршпиндель, который захватывает деталь после передней обработки и представляет заднюю поверхность для одновременной или последовательной обработки, что позволяет выполнить полную обработку OP10/OP20 за один машинный цикл. Такая конфигурация контршпинделя является стандартной для крупносерийного производства компонентов валов и муфт, где оба конца требуют механической обработки.

Токарно-фрезерные центры с ЧПУ швейцарского типа

В токарных и фрезерных центрах швейцарского типа используется скользящая передняя бабка и направляющая втулка, при которой заготовка поддерживается очень близко к зоне резания с помощью фиксированной направляющей втулки, при этом материал подается в осевом направлении через втулку во время обработки. Такое расположение опор практически исключает отклонение заготовки во время резки, обеспечивая точную обработку очень тонких деталей (обычно прутка диаметром от 1 до 38 мм) с соотношением длины к диаметру 20:1 или выше, что может вызвать отклонение и вибрацию на обычном токарном станке. Токарно-фрезерные центры швейцарского типа сочетают в себе эту прецизионную токарную обработку с несколькими приводными инструментальными станциями для фрезерования, сверления и обратной обработки, что делает их стандартным типом станков для крупносерийного производства небольших прецизионных компонентов: медицинских винтов и имплантатов, компонентов часов, стоматологических инструментов, корпусов гидравлических клапанов и штырей разъемов для электроники.

Горизонтальные и вертикальные токарные центры со встроенным фрезерованием

Для крупных заготовок — тяжелых валов, больших фланцев, деталей турбин и деталей ветроэнергетики — используются горизонтальные токарные центры со встроенными фрезерными шпинделями оси B. Ось B позволяет фрезерному шпинделю наклоняться под любым углом в вертикальной плоскости, обеспечивая одновременную 5-осевую обработку сложных поверхностей, наклонных отверстий и сложных элементов на больших и тяжелых компонентах, безопасное перемещение которых между операциями невозможно. Вертикальные токарные центры (VTC) со встроенными возможностями фрезерования обрабатывают дисковые и кольцевые компоненты большого диаметра — тормозные диски, заготовки шестерен, рабочие колеса насосов — используя вертикальную ориентацию шпинделя, которая позволяет гравитации способствовать зажиму заготовки и упрощает загрузку крупных деталей с помощью крана или робота.

Ключевые характеристики, которые следует учитывать при выборе токарно-фрезерного центра

Сравнение токарных и фрезерных центров с ЧПУ разных производителей требует оценки полного набора характеристик, которые вместе определяют диапазон возможностей станка для данного семейства заготовок. Сосредоточение внимания на основных характеристиках, таких как скорость шпинделя, и упуская из виду столь же важные параметры, как индексное время револьверной головки, ход оси Y и мощность прутка, приводит к неверным решениям о покупке, которые ограничивают производственные возможности на протяжении всего срока службы станка.

Характеристики мощности и скорости приводного инструмента заслуживают особого внимания, поскольку они часто занижаются в характеристиках станка по сравнению с главным шпинделем. Токарный центр с главным шпинделем мощностью 22 кВт, но только с приводными двигателями инструмента мощностью 3,7 кВт обеспечит превосходные результаты токарной обработки, но будет ограничен легкими фрезерованиями и сверлением малого диаметра и не сможет использовать преимущества современных цельных твердосплавных концевых фрез и сверл при рекомендуемых параметрах резания. Для цехов, где операции фрезерования составляют значительную часть запрограммированного времени цикла, мощность приводного инструмента следует оценивать в сравнении с конкретными запланированными операциями фрезерования, а не просто сравнивать со спецификациями конкурирующих станков.

Детали, лучше всего подходящие для токарно-фрезерной обработки и почему

Не каждая деталь в равной степени выигрывает от токарно-фрезерной обработки. Наибольшие преимущества имеют детали, которые в основном носят вращательный характер (обточенные наружные диаметры, расточенные внутренние детали, резьбовые поверхности), но также имеют второстепенные призматические особенности, которые обычно требуют второй настройки станка на вертикальном или горизонтальном обрабатывающем центре. Определение того, соответствует ли семейство деталей этому профилю, является первым шагом в построении экономического обоснования инвестиций в токарно-фрезерное производство.

Валы с поперечными элементами

Приводные валы, валы насосов и валы шпинделей, для которых требуются токарные диаметры, резьба и шлифованные шейки в сочетании с поперечно-сверленными отверстиями, поперечными гранями, шпоночными пазами или шпоночными пазами Вудраффа, являются идеальными кандидатами для токарно-фрезерной обработки. На обычном токарном станке сначала выполняется токарная обработка, затем вал переносится на фрезерный станок или сверлильный станок для обработки второстепенных деталей — процесс, включающий несколько приспособлений, возможность смещения исходной точки и значительное время обработки. На токарно-фрезерном станке все элементы выполняются за один зажим с единой опорной точкой, что обеспечивает более высокую точность позиционирования между токарными и фрезерными элементами и исключает время межстаночного перемещения.

Фланцевые и портированные компоненты

Гидравлические коллекторы, корпуса клапанов, корпуса насосов и фланцевые соединители сочетают в себе точеные отверстия и внешние диаметры с расположением отверстий для болтов, перфорированными каналами и уплотнительными канавками, которые распределены по окружности детали. Индексация токарно-фрезерного центра по оси C точно позиционирует эти распределенные элементы путем поворота главного шпинделя в необходимое угловое положение перед каждой операцией приводного инструмента, устраняя необходимость использования поворотного стола или индексатора, которые потребовались бы для достижения того же позиционирования на обрабатывающем центре. В результате сокращается время цикла, повышается точность углового положения и уменьшается количество приспособлений в рабочем процессе.

Прецизионные компоненты для медицины и аэрокосмической промышленности

Костные винты, зубные имплантаты, компоненты хирургических инструментов, а также авиационно-космические крепежи и фитинги производятся в больших объемах из сложных материалов — титановых сплавов, кобальт-хрома, инконеля и нержавеющей стали — с жесткими допусками как на токарные, так и на фрезерованные детали. В этих секторах стоимость брака, доработки и ошибок при проверке непропорционально высока по сравнению со стоимостью сырья и режущего инструмента. Сокращение количества наладок напрямую снижает вероятность ошибок позиционирования, повреждений при обращении и смещения исходной точки, что делает токарно-фрезерную обработку не только повышением производительности, но и улучшением качества и отслеживаемости, что часто требуется стандартами качества цепочки поставок OEM-производителей аэрокосмической и медицинской промышленности.

Системы управления ЧПУ и программирование токарно-фрезерных станков

Программирование токарно-фрезерного центра с ЧПУ более сложное, чем программирование отдельного токарного станка или обрабатывающего центра, поскольку программа должна координировать несколько независимых осей — ось C главного шпинделя, шпиндель ведомого инструмента, линейные оси X/Y/Z и вспомогательный шпиндель, если он имеется — в последовательностях, которые могут перекрываться для максимальной эффективности цикла. Современные контроллеры ЧПУ от Fanuc, Siemens, Mazak (Mazatrol) и Okuma (OSP) предоставляют специальные среды программирования для токарных станков, которые позволяют справиться с этой сложностью, но программист должен понимать конкретную конфигурацию оси станка и возможности одновременной работы, чтобы писать программы, которые реализуют весь потенциал станка.

Одновременные токарные и фрезерные операции

Усовершенствованные токарно-фрезерные центры с двумя револьверными головками или конфигурацией «револьверная головка плюс фрезерный шпиндель» могут выполнять токарную и фрезерную обработку одновременно — один инструмент режет обточенную поверхность, а второй одновременно фрезерует поперечный элемент в другом месте одной и той же детали. Программирование этих перекрывающихся операций требует, чтобы контроллер управлял потенциальными помехами между инструментами и держателями инструментов в общей рабочей зоне, которые современные средства управления устраняют посредством мониторинга предотвращения столкновений в реальном времени с использованием 3D-модели станка. При правильном программировании одновременные операции могут сократить время цикла обработки сложных деталей на 30–50 % по сравнению с последовательными операциями на одном и том же станке.

Программное обеспечение CAM для токарно-фрезерного программирования

В то время как диалоговое программирование системы управления станком практично для простых деталей токарно-фрезерного станка с небольшим количеством операций приводного инструмента, сложные детали со множеством функций фрезерования, сложными углами или требованиями 5-осевого контурирования лучше всего программировать с использованием специального программного обеспечения CAM с токарно-фрезерными постпроцессорами. Пакеты программного обеспечения, в том числе Mastercam Mill-Turn, Siemens NX CAM, Hypermill и SolidCAM iMachining, предоставляют специальные стратегии траекторий токарно-фрезерной обработки, среды моделирования станков для проверки столкновений перед запуском программы на станке, а также настраиваемые постпроцессоры, выводящие код, соответствующий конкретному элементу управления и конфигурации станка. Инвестиции в надлежащие CAM-инструменты для программирования токарно-фрезерных станков быстро окупаются при работе со сложными деталями, где ошибки ручного программирования приводят к браку или требуют длительного времени проверки на станке.

Инструменты, настройка револьверной головки и крепление для токарно-фрезерных операций

Инструментальная система токарно-фрезерного центра должна включать в себя как статические токарные инструменты, так и приводные вращающиеся инструменты в одной револьверной головке с возможностью быстрой и повторяемой смены инструмента и достаточной жесткостью, чтобы выдерживать как токарные, так и фрезерные силы резания. Стандарт интерфейса приводного инструмента — VDI или BMT (Base Mount Tooling) различных размеров — определяет, какие держатели приводного инструмента совместимы с револьверной головкой и каков максимальный крутящий момент и скорость приводного инструмента при использовании механической трансмиссии револьверной головки.

Револьверные головки BMT (монтажная револьверная головка блочного типа) используют большую монтажную поверхность, чем револьверные головки VDI, что обеспечивает большую жесткость при фрезерных операциях — значительное преимущество, когда фрезерование глубоких карманов или обработка тяжелых пазов концевыми фрезами большого диаметра являются частью рабочей программы. Револьверные головки VDI более широко стандартизированы и предлагают более широкий спектр совместимых конструкций державок инструментов от разных производителей, но имеют более низкие пределы жесткости для тяжелых операций фрезерования. Для мастерских, делающих первые инвестиции в токарно-фрезерный станок, перед выбором модели станка следует проверить совместимость системы державок с существующими запасами токарных инструментов и наличие вариантов приводных державок для запланированных операций фрезерования.

Стратегии крепления заготовки для токарно-фрезерной обработки

Крепление на токарно-фрезерном центре следует тем же принципам, что и крепление на токарном станке - заготовка должна быть надежно закреплена одновременно против сил вращения (радиальных) и сил фрезерования (осевых и радиальных, часто со значительной осевой составляющей от концевых фрез). Стандартные трехкулачковые и шестикулачковые механические патроны обеспечивают надежный зажим при большинстве работ с подачей прутка и в патроне, но конфигурация и ход кулачка должны учитывать любые отклонения от круглой формы или диаметры патрона, возникающие в результате геометрии детали. Для деталей, где силы фрезерования особенно высоки (большие шпоночные пазы, тяжелое торцевое фрезерование), дополнительная задняя бабка или опора люнета уменьшают отклонение и вибрацию. Подача прутка через устройство подачи прутка, подключенное к шпинделю станка, является стандартной производственной конфигурацией для компонентов с подачей прутка в больших объемах, что позволяет работать без освещения или с минимальным участием персонала с автоматической загрузкой прутка.

Оценка окупаемости инвестиций в токарно-фрезерный центр с ЧПУ

Токарно-фрезерный центр с ЧПУ требует более высоких капитальных затрат, чем отдельный токарный станок с ЧПУ эквивалентной токарной мощности — обычно в 1,5–3 раза выше в зависимости от конфигурации, возможностей оси Y, субшпинделя и марки. Для оправдания этой надбавки требуется строгий анализ рентабельности инвестиций, учитывающий все влияние производительности, качества и накладных расходов, связанных с объединением нескольких операций на одной машине.

• Сокращение времени установки: Рассчитайте текущее общее время настройки всех станков для репрезентативной детали, включая настройку станка, настройку крепления, настройку инструментов и проверку первого изделия. Сравните это с временем наладки токарно-фрезерного центра. Для сложных деталей, требующих 3–4 наладок, можно сократить общее время наладки на 60–75 %, что напрямую снижает стоимость детали при небольших и средних объемах производства.
• Экономия времени цикла: Определите количество времени, затрачиваемого на перемещение деталей между станками, загрузку и разгрузку каждого станка, а также ожидание в очереди между операциями. Это время взаимодействия часто в 2–5 раз превышает фактическое время резки сложных деталей в условиях загруженного цеха и почти полностью исчезает при консолидации на токарно-фрезерном станке.
• Уменьшение занимаемой площади и количества машин: Один токарно-фрезерный центр, заменяющий два или три станка, освобождает значительную площадь, сокращает количество станков, требующих контрактов на техническое обслуживание и запас запасных частей, а также уменьшает количество операторов станков, необходимых в смену.
• Улучшение качества и стоимости лома: Меньшее количество базовых данных и настроек означает меньше возможностей для суммирования допусков. Определите количественно текущий уровень брака, связанный со сдвигом исходных данных между операциями, и примените ожидаемое улучшение — обычно сокращение брака, связанного со смещением исходных данных, на 30–60 % — к модели рентабельности инвестиций.
• Сокращение запасов незавершенного производства: Детали, ожидающие перемещения между станками, представляют собой капитал, вложенный в запасы незавершенного производства. Устранение очередей между станками снижает незавершенное производство, улучшает денежный поток и сокращает заявленные сроки выполнения заказов — конкурентное преимущество в многопрофильных цехах и в условиях контрактной обработки.

Срок окупаемости 18–36 месяцев типичен для хорошо согласованных инвестиций в токарно-фрезерное оборудование в цехах и на контрактных предприятиях по механической обработке со значительной долей сложных вращающихся деталей. Для специализированных производственных ячеек, в которых используются большие объемы семейств сложных деталей с продемонстрированными последовательностями операций с несколькими настройками, окупаемость может быть короче. Случаи с максимальной рентабельностью инвестиций сочетают в себе четкое семейство деталей с документированным текущим процессом с несколькими настройками, высокий процент брака, связанный со смещением исходных данных, и клиентскую базу, которая вознаграждает сокращение времени выполнения заказов увеличением объема заказов - все эти проблемы может напрямую решить правильно выбранный токарно-фрезерный центр с ЧПУ.