Двухшпиндельный токарно-фрезерный станок: типы, преимущества и руководство по покупке

Двухшпиндельный токарно-фрезерный станок сочетает в себе все, что делает стандартный токарный станок с ЧПУ полезным, а затем удваивает производительность, добавляет полные возможности фрезерования и полностью обрабатывает детали за один установ. Вместо перемещения заготовки из токарного центра в обрабатывающий центр и обратно — накапливая ошибки настройки, время обработки и задержки планирования при каждой передаче — двухшпиндельный токарно-фрезерный центр выполняет всю последовательность обработки от необработанного прутка до готовой детали, при этом оператор не касается ее между операциями. В этом руководстве рассказывается о том, как устроены эти машины, о различных доступных конфигурациях, какие приложения оправдывают инвестиции и что следует учитывать при выборе между вариантами.

Как на самом деле работает двухшпиндельный токарно-фрезерный станок

А двухшпиндельный токарно-фрезерный станок — также называемый двухшпиндельным токарно-фрезерным центром, двухшпиндельным многозадачным токарным станком или токарно-фрезерным обрабатывающим центром — объединяет два независимых шпинделя крепления детали и возможность фрезерования приводным инструментом в одном корпусе станка. Два шпинделя являются определяющей особенностью. главный шпиндель удерживает и вращает заготовку для начальных токарных операций точно так же, как это делает обычный токарный станок с ЧПУ. субшпиндель (также называемый противошпинделем или вторичным шпинделем) расположен коаксиально напротив главного шпинделя — он может продвигаться вдоль оси Z, чтобы захватить обработанную переднюю поверхность детали, принять синхронную передачу от главного шпинделя, а затем представить противоположную (заднюю) поверхность детали режущим инструментам без какого-либо ручного повторного зажима или изменения положения.

Система приводного инструмента встроена в револьверную головку — барабан, удерживающий инструмент, который перемещается для подачи различных режущих инструментов к заготовке. В отличие от стандартной токарной револьверной головки, которая содержит только статические токарные инструменты, револьверная головка с приводным инструментом монтирует вращающиеся инструменты, такие как концевые фрезы, сверла, метчики и развертки, которые приводятся в движение независимым двигателем, встроенным в револьверную головку. Эти приводные инструменты активны, когда главный или вспомогательный шпиндель фиксируется в определенном угловом положении с помощью управления по оси C, что позволяет станку фрезеровать лыски, сверлить смещенные от центра отверстия, обрабатывать поперечные отверстия, нарезать пазы и нарезать резьбу — операции, для которых на любом обычном токарном станке потребуется отдельный обрабатывающий центр.

Наиболее мощные двухшпиндельные токарно-фрезерные станки добавляют к револьверной головке ось Y — линейное движение, перпендикулярное как осевой линии шпинделя, так и направлению подхода инструмента. Это то, что позволяет выполнять настоящие операции фрезерования с прямыми стенками, плоскими карманами и смещенными от центра элементами, которые геометрически невозможно выполнить, используя только движение по осям X и Z. Комбинация двух шпинделей, приводного инструмента, управления по оси C и движения по оси Y дает двухшпиндельному токарно-фрезерному станку возможность выполнять сложные детали за один патрон, от сырья до готовых размеров, на всех шести сторонах.

Конфигурации станков: от токарных станков с подшпинделем до многоосных токарно-фрезерных центров

Двухшпиндельные токарные и фрезерные станки имеют широкий спектр возможностей. Соответствующая конфигурация зависит от сложности детали, объема производства и того, какие операции необходимо выполнить за одну установку.

Двухшпиндельные токарные центры с приводным инструментом

Аt the entry level of the dual-spindle category are twin-spindle turning centers with live tooling but without a Y-axis. These machines have opposing main and sub-spindles, a live-tool turret, and C-axis control on both spindles. They handle the full front-to-back turning and drilling sequence on parts that require holes and features on the spindle centerline, but they cannot produce off-center milled features or pockets with straight walls. This configuration is common in automotive and hydraulics production where parts require complete OD and ID turning plus centerline drilling and tapping on both ends — but not complex milling geometry.

Двухшпиндельные фрезерно-токарные центры с осью Y

Аdding a Y-axis to the turret unlocks the full milling capability of the machine. With Y-axis travel of typically ±40 to ±60 mm, the machine can produce features at any offset from the spindle centerline — keyways, flats, off-center bores, pockets, slots, and contoured surfaces. The Y-axis also enables true eccentric turning using interpolated C- and Y-axis motion for cam profiles and non-round features. Machines in this category cover the majority of complex aerospace, medical, and precision engineering parts that previously required both a turning center and a vertical or horizontal machining center to complete. The Haas DS-30Y, Hurco TMXMYS, and YCM B8-SY are representative examples of this class.

Двухшпиндельные, двухревольверные станки с двумя осями Y

Двухшпиндельные токарные и фрезерные станки с наивысшей производительностью добавляют вторую револьверную головку, обычно расположенную ниже центральной линии шпинделя, и обеспечивают независимое управление по оси Y как на верхней, так и на нижней револьверной головке. Это означает, что две отдельные инструментальные станции могут одновременно резать одну заготовку: верхняя револьверная головка может выполнять черновую обработку наружного диаметра, а нижняя револьверная головка растачивает внутренний диаметр, сокращая общее время цикла примерно вдвое для деталей с большим диаметром отверстия. Когда субшпиндель принимает деталь после обработки передней поверхности, обе револьверные головки снова доступны — одна для обратной обработки в субшпинделе, другая одновременно режет новую деталь в главном шпинделе. Серия PUMA TT2100SYY от Doosan и серия INTEGREX от Mazak представляют этот класс, который является стандартным в высокопроизводительном производстве аэрокосмической, оборонной и медицинской техники, где время цикла и загрузка оборудования имеют решающее значение.

Многоосные двухшпиндельные токарно-фрезерные центры с осью B

Наиболее мощная категория добавляет к двухшпиндельной платформе поворотную фрезерную головку по оси B — шпиндель типа обрабатывающего центра, который может наклоняться в диапазоне обычно ±90°. Ось B обеспечивает одновременную 5-осевую интерполяцию на элементах сложной формы, таких как профили лопаток турбины, отверстия под сложным углом и конические элементы под произвольными углами. Станки с настоящей фрезерной головкой по оси B, например, серии Mazak INTEGREX e или серии DMG Mилиi NTX, по существу представляют собой полноценные обрабатывающие центры с добавленной возможностью токарной обработки, а не наоборот. Вместимость инструмента достигает от 80 до 120 позиций в автоматических устройствах смены инструмента (ATC), а количество осей достигает 9 и более в самых сложных конфигурациях.

Ключевые оси и возможности каждой из них

Понимание конфигурации осей двухшпиндельного токарно-фрезерного станка является отправной точкой для оценки того, может ли конкретный станок выполнить определенную деталь. В таблице ниже каждая ось сопоставлена ​​с ее физическим движением и возможностями обработки, которые она открывает.

Преимущества производства по сравнению с подходами с одним шпинделем и отдельным станком

Экономическое обоснование двухшпиндельного токарно-фрезерного станка основано на нескольких совокупных преимуществах производительности, которые накапливаются в каждом цикле обработки детали.

Устранение настроек и взаимодействие между машинами

В обычном рабочем процессе обработки вращательно-симметричная деталь, требующая операций торцевой, задней и фрезерной обработки, требует как минимум трех отдельных установов на двух или трех разных станках. При каждом перемещении между станками возникает ошибка репозиционирования, поскольку деталь повторно зажимается в новом приспособлении или патроне. Из-за этих накопленных ошибок детали с жесткими допусками и элементами на нескольких гранях трудно удерживать при обычных фрезерных станках с участием нескольких станков — каждая смена патрона добавляет свою собственную ошибку биения и позиционирования. Двухшпиндельный токарно-фрезерный станок исключает необходимость каждой промежуточной настройки: деталь один раз зажимается в главном шпинделе, полностью обрабатывается на передней стороне, автоматически переносится на вспомогательный шпиндель с помощью запрограммированного синхронизированного цикла передачи и полностью обрабатывается на задней стороне - все в одной непрерывной программе. Результатом является повторяемость деталей, которую невозможно обеспечить при соблюдении допусков обрабатывающего центра.

Одновременная резка на обоих шпинделях

Двухревольверные двухшпиндельные станки позволяют выполнять две операции резания одновременно — одну на главном шпинделе и одну на вспомогательном шпинделе — в так называемом перекрывающаяся операция or резка баланса . В то время как субшпиндель завершает операции задней поверхности детали N, главный шпиндель начинает операции передней поверхности детали N 1, пруток которой подавался автоматически во время цикла субшпинделя. Такое перекрытие устраняет застой между деталями, который неизбежен на одношпиндельных станках. При крупносерийном производстве деталей — корпусов автомобильных подшипников, корпусов гидравлических клапанов, рабочих колес насосов — перекрытие операций обычно сокращает эффективное время цикла на деталь на 30–50 процентов по сравнению с последовательной одношпиндельной обработкой.

Комплексная обработка и сокращение незавершенного производства

Когда детали покидают двухшпиндельный токарно-фрезерный станок полностью — все операции точения, фрезерования, сверления, нарезания резьбы и чистовой обработки выполнены — запасы незавершенного производства резко сокращаются. Детали не ставятся в очередь между операциями, ожидая доступности машины, времени настройки или внимания оператора. Освобождается площадь, занимаемая технологическими стеллажами, межмашинными конвейерами и несколькими заменяемыми машинами. Время выполнения заказа от сырья до готовой детали сокращается с дней (по нескольким очередям станков) до часов (один машинный цикл). Для цехов с большим ассортиментом и небольшими объемами это означает, что более широкий диапазон номеров деталей можно экономично обрабатывать на одной машинной платформе с коротким временем переналадки.

Аccuracy and Repeatability Gains

Точность ЧПУ на двухшпиндельном токарно-фрезерном станке распространяется на все операции, поскольку деталь никогда не покидает контролируемую среду системы координат станка между операциями. Детали, обработанные на передней грани, привязаны к той же базовой точке, что и элементы, обработанные на задней грани — здесь нет смещения базовой точки от установа к установке, как это было бы на двух отдельных станках. На прецизионных валах с соосными передними и задними элементами это напрямую приводит к более жестким допускам на общее биение и концентричность. Современные двухшпиндельные фрезерно-токарные станки с линейной обратной связью по стеклянной шкале и термокомпенсацией обеспечивают повторяемость позиционирования ±0,002 мм или лучше по всем осям, что позволяет обрабатывать детали до эквивалентов допуска без вторичного шлифования многих деталей.

Отрасли промышленности и типы деталей, которые приносят наибольшую выгоду

Двухшпиндельные токарные и фрезерные станки обеспечивают максимальную производительность и качество при работе с семействами деталей с особыми характеристиками: симметрия вращения, элементы на обоих концах, фрезерованные или просверленные элементы со смещением от центра, а также средние и высокие объемы производства. Эти характеристики концентрируются в нескольких отраслях.

• Аutomotive powertrain components: Распределительные валы, шейки коленчатого вала, входные валы трансмиссии, фланцы корпуса дифференциала, крыльчатки турбокомпрессора и кольца датчиков ABS — все они сочетают в себе функции токарной и фрезерной обработки с обеих сторон. Объемы автомобильной промышленности и ценовое давление делают сокращение времени цикла двухшпиндельных станков целесообразным. Станки серии MW компании Muratec особенно упоминаются как платформа, на которой производится больше токарных деталей для автомобилей, чем на любой другой платформе токарных станков.
• Аerospace structural and engine components: Детали из титана и инконеля для планеров и двигателей часто требуют токарной обработки с жесткими допусками в сочетании со сложными фрезерованными карманами, отверстиями под сложным углом и расположением отверстий на нескольких гранях. Стоимость материалов и требования к отслеживаемости деталей для аэрокосмической отрасли делают механическую обработку «все за одну операцию» привлекательной — сведение к минимуму манипуляций снижает риск повреждения, загрязнения и пробелов в документации между операциями.
• Медицинские приборы: Ортопедические имплантаты, компоненты хирургических инструментов и диагностическое оборудование требуют как точности токарной обработки с ЧПУ, так и геометрической сложности многогранного фрезерования, часто из титана, кобальта-хрома или нержавеющей стали. Размеры медицинских партий обычно невелики, а геометрия деталей сложна — именно в таких условиях двухшпиндельный фрезерно-токарный центр, заменяющий четыре отдельные операции, является наиболее экономически эффективным.
• Скважинный инструмент для добычи нефти и газа: Корпуса клапанов, блоки коллекторов, компоненты бурильных удлинителей и соединительные фитинги из нержавеющей стали 4140, 17-4 PH и инконеля требуют возможности токарной обработки большого диаметра в сочетании с поперечно-просверленными отверстиями, фрезерованными лысками и резьбовыми элементами. Двухшпиндельные токарные и фрезерные станки с большим диаметром отверстия (сквозное отверстие 100–200 мм) обрабатывают эти детали за один установ, тогда как при обычном фрезеровании потребовалось бы четыре или пять операций.
• Гидравлические и пневматические компоненты: Золотники клапанов, корпуса приводов, блоки коллекторов и валы насосов сочетают в себе прецизионные допуски на отверстия, наружную обработку и многочисленные поперечно-сверленные или фрезерованные порты — профиль детали идеально подходит для двухшпиндельной фрезерно-токарной обработки.
• Прецизионные компоненты вала и шпинделя: Детали с критически важными коаксиальными передними и задними деталями — валы кодировщиков, картриджи шпинделя, прецизионные шлифованные валы — особенно выигрывают от точности за один установ, которую обеспечивают двухшпиндельные станки, за счет исключения необходимости повторного зажима между операциями с передней и задней поверхностью.

Важные характеристики, которые следует учитывать при выборе машины

Двухшпиндельные токарные и фрезерные станки варьируются от токарных станков среднего класса стоимостью около 150 000 долларов США до полноценных многоосных токарных станков стоимостью более 1 000 000 долларов США для наиболее производительных конфигураций. Выбор подходящей машины требует соответствия технических характеристик фактическим требованиям к производимым деталям, а не покупки мощностей, которые никогда не будут использоваться, и не занижения спецификации машины, которая будет ограничивать производство с первого дня.

Мощность шпинделя и диапазон скоростей

Мощность главного шпинделя двухшпиндельных токарных и фрезерных станков обычно варьируется от 15 л.с. (11 кВт) на компактных станках для обработки прутков до 45 л.с. (33 кВт) или более на производственных станках большого диаметра. Мощность вспомогательного шпинделя обычно составляет от 50 до 70 процентов мощности основного шпинделя. Диапазон скоростей важен как для токарной обработки, так и для операций с приводным инструментом — скорость главного шпинделя от 4000 до 6000 об/мин охватывает большинство обрабатываемых материалов; Скорость двигателя приводного инструмента от 3000 до 6000 об/мин позволяет использовать концевые фрезы и сверла стандартного размера для токарных деталей. При работе с титаном и другими труднообрабатываемыми сплавами убедитесь, что станок обеспечивает достаточный крутящий момент на низкой скорости для тяжелой черновой обработки, а не только на высоких оборотах при чистовой обработке.

Емкость прутка и размер патрона

Емкость прутка — максимальный диаметр прутка, проходящего через главный шпиндель — напрямую ограничивает, какие детали можно подавать на станок. Обычная ширина прутка варьируется от 42 мм (1,65 дюйма) для компактных прецизионных станков до 100 мм и более для производственных станков, работающих в тяжелых условиях. Диаметр сквозного отверстия вспомогательного шпинделя обычно меньше диаметра главного шпинделя — убедитесь, что он вмещает перемещаемые детали, если требуется сквозное растачивание вспомогательного шпинделя. Размеры патрона (6 дюймов, 8 дюймов, 10 дюймов) определяют максимальный диаметр захвата для деталей, нагруженных патроном и превышающих грузоподъемность прутка.

Перемещение по оси Y

Перемещение по оси Y определяет максимальное смещение от центральной линии, при котором могут выполняться операции фрезерования. Для большинства деталей фрезерования токарной обработки — поперечных отверстий, шпоночных канавок, лысок — достаточно от ±40 до ±50 мм. Для более крупных деталей с элементами, расположенными дальше от центральной линии, или для глубоких карманов убедитесь, что диапазон оси Y охватывает фактические местоположения элементов на рассматриваемых деталях. Некоторые машины имеют ось Y только на главной башне; проверьте, имеют ли операции субшпинделя также доступ к оси Y, если требуется фрезерование задней поверхности со смещением.

Количество инструментальных станций и емкость приводного инструмента

Мощность револьверной головки — количество доступных индексированных позиций инструмента — определяет, насколько сложную деталь можно обработать без смены инструмента или ручного вмешательства. Стандартные 12-позиционные револьверные головки обрабатывают типичные токарно-сверлильные детали; 24-позиционные револьверные головки БМТ или машины с двойными револьверными головками позволяют выполнять сложные детали, требующие множества различных инструментов. Общее количество инструментов, включая позиции приводного инструмента, имеет значение для смешанного производства — станок с 38 позициями инструментов (включая вспомогательную револьверную головку) может одновременно содержать полное семейство инструментов для нескольких номеров деталей, что позволяет быстро переключаться между заданиями без полной переоснастки.

Синхронизированное управление шпинделем и точность передачи

Качество синхронизированной передачи шпинделя — автоматической передачи детали с главного шпинделя на контршпиндель — напрямую влияет на точность соотношения лицевых и задних деталей. Синхронная передача требует, чтобы оба шпинделя работали одновременно с одинаковой скоростью и фазой, при этом вспомогательный шпиндель продвигался вперед и захватывал деталь во время ее вращения. Хорошо реализованный перенос практически не добавляет ошибок позиционирования между гранями; плохо реализованный вариант приводит к осевому и угловому смещению, что ухудшает качество детали. При оценке конкретных машин для применений с жесткими допусками запрашивайте подтвержденные данные о точности переноса (осевое биение и угловая повторяемость после переноса).

Система управления ЧПУ

Система ЧПУ обеспечивает интерполяцию по всем осям, синхронизацию шпинделя, координацию движущегося инструмента и управление программой обработки детали. Fanuc, Siemens, Mitsubishi и Mazatrol являются доминирующими платформами управления для двухшпиндельных токарных и фрезерных станков. Помимо предпочтений бренда, оцените конкретные функции управления: возможность диалогового программирования для быстрой настройки задания, фоновое редактирование, позволяющее изменять программы во время работы станка, двухконтурную (двухканальную) архитектуру управления для одновременного независимого управления операциями главного и вспомогательного шпинделя, а также функции зеркального отображения вспомогательного шпинделя, которые автоматически переворачивают и переносят программы с геометрии главного шпинделя на геометрию вспомогательного шпинделя. Диалоговое управление Hurco и программирование Mazatrol от Mazak постоянно называют отличительными чертами предприятий, которым требуется быстрое создание программ для производства большого количества продукции.

Сравнение: двухшпиндельные фрезерно-токарные станки и отдельные токарные и фрезерные центры

Решение о том, инвестировать ли в двухшпиндельный токарно-фрезерный станок или использовать отдельное токарно-фрезерное оборудование, зависит от состава деталей, объема, требований к точности и общей стоимости владения на протяжении всего срока службы станка.

Для большинства цехов, производящих детали с элементами более чем на одной стороне или требующих как токарной, так и фрезерной обработки, сравнение совокупной стоимости владения обычно отдает предпочтение двухшпиндельному токарно-фрезерному центру при средних и выше объемах производства, особенно когда в анализ наряду с закупочной ценой станка включены труд оператора, площадь помещения и затраты на ведение незавершенного производства.

Рекомендации по программированию и настройке

Чтобы получить максимальную отдачу от двухшпиндельного токарно-фрезерного станка, требуются более сложные подходы к программированию, чем при обычном токарном станке с ЧПУ, а также методы настройки, учитывающие многооперационную способность станка.

• Двухканальное (двухканальное) программирование: Операции главного и вспомогательного шпинделя записываются как две отдельные синхронизированные программы ЧПУ, работающие параллельно — по одной для каждого пути шпинделя. Система управления выполняет оба пути одновременно и использует команды синхронизации (WAIT, SYNC) для координации передач обслуживания и перекрывающихся операций. Понимание структуры двойного программирования необходимо для реализации преимуществ времени цикла одновременных операций; станок, работающий на главном и вспомогательном шпинделе последовательно, а не одновременно, оставляет половину своей производительной мощности неиспользованной.
• Выбор программного обеспечения CAM: Не все пакеты CAM одинаково подходят для двухшпиндельных токарно-фрезерных станков. Убедитесь, что используемое программное обеспечение CAM генерирует правильный синхронизированный двухпутевой код для конкретной системы управления на машине. Mastercam, Esprit и Fusion 360 имеют возможность двухшпиндельной токарно-фрезерной обработки; Качество и полнота поддержки постпроцессора для конкретных комбинаций станка и системы управления различаются и должны быть проверены перед переходом на платформу CAM.
• Стратегия оснастки для обоих шпинделей: Спланируйте расположение инструмента на револьверной головке так, чтобы оно обслуживало операции как главного, так и вспомогательного шпинделя, не требуя переконфигурации револьверной головки между операциями. К инструментам, расположенным для доступа к главному шпинделю, часто можно получить доступ со стороны вспомогательного шпинделя, изменив ориентацию револьверной головки, но это должно быть правильно запрограммировано и подтверждено, чтобы не создавать помех. Тщательно рассмотрите статические держатели инструментов для токарных инструментов и приводные держатели инструментов для приводных инструментов, соблюдая баланс между количеством каждого типа и операциями, необходимыми для семейства деталей.
• Смещение детали и управление базовыми точками: Для каждого шпинделя требуется свое собственное рабочее смещение и система координат. После синхронизированного переноса программа вспомогательного шпинделя ссылается на заднюю поверхность детали как на ее нулевой уровень по оси Z, что обычно подтверждается запрограммированным значением смещения по оси Z, которое соответствует длине детали после обработки передней поверхности. Точное измерение и подтверждение этого смещения при настройке имеет решающее значение для соблюдения допусков по длине спереди назад.
• Циклы термокомпенсации и прогрева: На многокоординатных токарно-фрезерных станках наблюдается более сложная картина термического роста, чем на простых токарных станках, поскольку и двигатель шпинделя, и двигатель приводного инструмента выделяют тепло. Запускайте стандартную программу прогрева в начале каждой смены перед резкой производственных деталей и проверяйте, что функции термокомпенсации станка активны и откалиброваны. В высокоточных приложениях измерение в процессе производства с автоматическим обновлением смещения является лучшей практикой для поддержания жестких допусков на протяжении всего производственного цикла.