Устройство станков с ЧПУ разных групп

1. Устройство станков с ЧПУ разных групп

2. Введение

• Станки с числовым программным управлением (ЧПУ) — это
технологическая
основа
современного
машиностроения,
приборостроения, авиастроения и других высокотехнологичных
отраслей. Их появление ознаменовало переход от ручного и
полуавтоматического труда к полной автоматизации производства.
Благодаря ЧПУ удалось добиться ранее недостижимой точности,
повторяемости и скорости изготовления деталей сложной формы.
• Рассмотрим три ключевых класса оборудования, составляющих ядро
современного механообрабатывающего производства:
• Токарные станки с ЧПУ.
• Фрезерные станки с ЧПУ.
• Многоосевые обрабатывающие центры.
• Мы изучим их устройство, принципы работы, кинематику,
технологические возможности, преимущества и сферы применения.

3. Токарные станки с ЧПУ (CNC Turning Centers)

Токарная обработка — один из древнейших и наиболее распространенных методов
резания металлов. Токарный станок с ЧПУ автоматизирует этот процесс, позволяя с
высокой точностью обрабатывать тела вращения.
1.1. Принцип работы и кинематика
Основной принцип токарной обработки заключается во вращении заготовки и
поступательном движении режущего инструмента относительно этой заготовки.
Заготовка: Закрепляется в шпинделе (патроне) и вращается с заданной
скоростью (обороты в минуту, RPM).
Инструмент: Резцы или сменные режущие пластины закрепляются в
резцедержателе (револьверной головке) и перемещаются в двух основных
плоскостях:
o
Ось Z: Параллельна оси вращения шпинделя. Движение вдоль этой оси
обеспечивает продольное точение (снятие припуска по длине).
o
Ось X: Перпендикулярна оси вращения шпинделя. Движение по этой оси
обеспечивает поперечное точение (снятие припуска по диаметру).
Современные токарные центры могут иметь дополнительные оси, например, ось C
(вращение револьверной головки для позиционирования инструмента) и ось Y
(смещение инструмента по вертикали для контурной обработки).

4. Основные конструктивные узлы

1. Станина: Массивная чугунная или сварная конструкция,
обеспечивающая высокую жесткость и виброустойчивость. На ней
монтируются все остальные узлы.
2. Шпиндельная бабка: Узел, содержащий шпиндель. Шпиндель — это
высокоточный вал, на переднем конце которого установлен патрон для
зажима заготовки. Он приводится в движение мощным асинхронным или
синхронным электродвигателем через ременную или зубчатую передачу.
Важнейшие параметры — мощность, крутящий момент и максимальная
скорость вращения.
3. Револьверная головка: Поворотный барабан, на гранях которого
устанавливаются режущие инструменты (от 8 до 12 и более позиций).
Автоматическая смена инструмента происходит за счет поворота головки
на заданный угол по команде ЧПУ.
4. Задняя бабка: Вспомогательный узел, используемый для поддержки
длинных и тонких заготовок с помощью центра или для установки сверл,
метчиков и другого осевого инструмента.
5. Система ЧПУ (CNC): Интеллектуальный центр управления. Он
считывает управляющую программу (обычно в кодах ISO), преобразует ее
в импульсы и управляет приводами (сервоприводами или шаговыми
двигателями), обеспечивая точное перемещение суппортов по заданным
координатам.

5. Технологические возможности

• Современные токарные станки с ЧПУ способны
выполнять не только классические операции точения,
но и:
• • Нарезание резьбы: С шагом и профилем любой
сложности (метрическая, дюймовая, трапецеидальная).
• • Сверление и растачивание: Операции соосно оси
вращения.
• • Фрезерование: Если станок оснащен приводным
инструментом (ось C) и противошпинделем (вторым
шпинделем), он может выполнять фрезерные операции
на торце детали, превращаясь в полноценный токарнофрезерный центр.

6. Преимущества

• • Высокая производительность: Сокращение
вспомогательного времени за счет быстрой
смены инструмента.
• • Точность и повторяемость: Возможность
изготовления тысяч идентичных деталей без
участия оператора.
• • Сложная геометрия: Обработка фасонных
поверхностей, конических переходов и
криволинейных профилей, которые сложно
или невозможно выполнить на ручных
станках.

7. Фрезерные станки с ЧПУ (CNC Milling Machines)

• Основной принцип: фреза вращается с высокой скоростью, а стол с
заготовкой перемещается по заданным координатам, обеспечивая
необходимый съем материала.
• Стандартная декартова система координат для фрезерного станка:
•
Ось X: Поперечное перемещение стола (влево-вправо).
•
Ось Y: Продольное перемещение стола (вперед-назад).
•
Ось Z: Вертикальное перемещение шпиндельной бабки или
колонны (вверх-вниз).
• Основные типы фрезерных станков
• 1. Вертикально-фрезерные: Шпиндель расположен вертикально.
Наиболее распространенный тип для обработки плоскостей, уступов,
пазов.
• 2. Горизонтально-фрезерные:
Шпиндель
расположен
горизонтально. Удобны для обработки тяжелых деталей, работы с
большими съемами материала благодаря жесткой конструкции и
наличию поворотного стола.
• 3. Портальные: Стол неподвижен, а портал (мост) перемещается
по осям X и Y. Используются для обработки очень крупных заготовок
(например, в судостроении или производстве пресс-форм).

8. Конструктивные особенности

•
Стол: Мощная конструкция с Т-образными пазами для
крепления заготовки или оснастки (тисков, прихватов). Обеспечивает
точное позиционирование по осям X и Y.
•
Шпиндельный узел: В отличие от токарного станка, здесь
шпиндель является держателем инструмента. Он должен
обеспечивать высокую жесткость на изгиб и кручение для
восприятия больших сил резания.
•
Магазин инструментов: В автоматических станках используется
револьверный магазин (барабанного типа) или цепной магазин,
который обеспечивает смену инструмента за несколько секунд.
• 2.4. Технологические возможности
• Фрезерные станки с ЧПУ позволяют выполнять:
•
Плоское фрезерование (создание плоскостей).
•
Контурное фрезерование (обработка криволинейных
профилей).
•
Фрезерование пазов, карманов, канавок.
•
Обработку сложных объемных (3D) поверхностей с помощью
фасонных фрез.

9. Многоосевые обрабатывающие центры

Многоосевые обрабатывающие центры — это вершина эволюции фрезерных
станков с ЧПУ. Они объединяют в себе высокую мощность, точность и возможность
одновременного управления пятью или более координатами.
Кинематика: от 3 до 5+ осей
3-осевая обработка: Стандартный процесс, где инструмент перемещается по X,
Y, Z. Подвод к наклонным поверхностям возможен только под углом, что
ограничивает возможности обработки сложных деталей.
4-осевая обработка (+A): К трем линейным осям добавляется одна поворотная
ось стола (вращение вокруг оси X). Это позволяет обрабатывать деталь с разных
сторон без переустановки.
5-осевая обработка (+A/B или +B/C): Это одновременное управление пятью
координатами (три линейные + две поворотные). Станок может позиционировать
инструмент под любым углом к поверхности детали в любой ее точке.
Существует два основных типа 5-осевой кинематики:
1.
Наклонно-поворотный стол (Table-Table): Поворотный стол совмещен с
одноосевым столом наклона.
2.
Наклонная голова (Head-Head): Шпиндельная бабка имеет две оси наклона, а
стол перемещается только по трем линейным осям.

10. Преимущества многоосевой обработки

• 1. Обработка за один установ (Done-in-One): Деталь не
нужно переустанавливать в тисках или другом
приспособлении.
Это
исключает
накопление
погрешностей базирования.
• 2. Доступ к сложным зонам: Инструмент можно
подвести к "поднутрениям", карманам и фасонным
поверхностям, недоступным для 3-осевого станка.
• 3. Оптимальные режимы резания: Система ЧПУ может
наклонять инструмент так, чтобы использовать его
полную длину режущей части (Lc), а не только кончик,
что позволяет увеличить подачу и сократить время
обработки.
• 4. Высочайшее качество поверхности: Возможность
использовать стратегии непрерывной 5D-обработки, где
фреза всегда сохраняет оптимальный угол атаки к
поверхности ("пятно контакта"), что дает идеальную
чистоту поверхности без следов гребешков.

11. Применение

• Многоосевые центры незаменимы в отраслях, где
требуются детали сложной формы из цельной
заготовки:
• • Авиакосмическая промышленность: Лопатки
турбин, импеллеры, элементы фюзеляжа из титана и
композитов.
• • Энергетика: Рабочее колесо гидротурбины,
сложные корпуса насосов.
• • Медицина: Индивидуальные имплантаты
(тазобедренные суставы), хирургический инструмент
сложной формы.
• • Штучное производство: Сложные пресс-формы и
штампы для литья пластмасс и штамповки металла.

12. Заключение

• Мир станков с ЧПУ огромен и постоянно
развивается. Токарные станки обеспечивают основу
для производства тел вращения, фрезерные —
гибкость в создании плоских и объемных деталей, а
многоосевые центры открывают безграничные
возможности
для
изготовления
изделий
сложнейшей геометрии из цельной заготовки.
• Понимание различий между этими классами
оборудования, их сильных сторон и ограничений
является ключом к эффективному проектированию
технологических
процессов
и
созданию
конкурентоспособной продукции в современном
мире

13. Вопросы для проверки знаний

Блок 1. Токарные станки с ЧПУ
Теоретические основы
1. В чём заключается принципиальное отличие токарной обработки от фрезерной?
Какое движение является главным, а какое — движением подачи?
2. Объясните назначение и принцип работы револьверной головки. Какие
преимущества она даёт по сравнению с ручным суппортом?
.3. Что такое «ось C» в контексте токарного станка с ЧПУ? Для каких операций она
используется?
Устройство и кинематика
1. Назовите основные узлы токарного станка с ЧПУ и кратко опишите их функции
2. Каковы стандартные обозначения осей координат (X, Z) на токарном станке? В
каких направлениях происходит движение инструмента относительно заготовки?
3. Что такое «противошпиндель» и «приводной инструмент»? Какую роль они
играют в превращении токарного станка в токарно-фрезерный центр?
Технологические возможности
1. Какие виды обработки, помимо наружного и внутреннего точения, может
выполнять современный токарный центр с ЧПУ?
2. В чём преимущество использования циклов нарезания резьбы на станке с ЧПУ по
сравнению с ручным методом?

14. Блок 2. Фрезерные станки с ЧПУ

• Теоретические основы
• 1. Дайте определение фрезерованию.
• 2. Какова роль многолезвийного инструмента (фрезы) в этом процессе?
• 3. В чём разница между вертикально-фрезерным и горизонтальнофрезерным станком?
• 4. Какой из них предпочтительнее для обработки тяжёлых заготовок и
почему?
• Устройство и кинематика
• 1. Опишите стандартную систему координат (X, Y, Z) для фрезерного
станка.
• 2. Что такое «магазин инструментов»?
• 3. Сравните револьверный и цепной магазины.
• Технологические возможности
• 5. Какие типы поверхностей можно эффективно обрабатывать на 3осевом фрезерном станке?
• 6.
С какими ограничениями сталкивается оператор при обработке
сложных объёмных деталей на таком оборудовании?

15. Многоосевые обрабатывающие центры

• Теоретические основы
• 1. Что означает термин «5-осевая обработка»?
• 2. Объясните разницу между 3+2 позиционной обработкой и
полноценной одновременной 5-осевой обработкой.
• 3. Назовите два основных типа компоновки 5-осевых станков (по
расположению поворотных механизмов) и кратко охарактеризуйте
каждый.
• Преимущества и применение6.
• 1. Объясните главный технологический принцип «обработка за один
установ» (Done-in-One). Почему это критически важно для
достижения высокой точности?
• 2. Почему 5-осевая обработка позволяет достичь лучшего качества
поверхности (меньше «гребешков») по сравнению с 3-осевой при
обработке сложных криволинейных поверхностей?
• 3. Приведите примеры деталей или отраслей промышленности, где
применение многоосевых центров является безальтернативным.

16. Общие вопросы по системам ЧПУ

• 1. Что такое управляющая программа (УП)
для станка с ЧПУ? На каком языке (стандарте)
она обычно пишется?
• 2. В чём заключается разница между
шаговым двигателем и сервоприводом,
используемыми в приводах станков с ЧПУ?
• 3. Какова роль системы CAD/CAM в
современном производстве на станках с ЧПУ?
Опишите кратко путь от чертежа к готовой
детали.

17. Ситуационные задачи (кейсы)

• Ситуация А: Вам необходимо изготовить партию из 500 стальных
валов диаметром 50 мм с точными коническими переходами и
мелкой метрической резьбой на концах.
• Вопрос: Какой тип станка вы выберете и почему? Опишите
последовательность операций.
• Ситуация Б: На производстве стоит задача изготовить сложный
корпус насоса из алюминиевой заготовки с большим количеством
внутренних карманов, поднутрений и фасонных каналов.
• Вопрос: Достаточно ли будет 3-осевого фрезерного станка для этой
задачи? Если нет, то какой тип оборудования необходим и какие
преимущества он даст?
• Ситуация В: Необходимо изготовить титановую лопатку турбины
реактивного двигателя из цельной заготовки.
• Вопрос: Какой тип станка является единственно возможным для этой
задачи? Обоснуйте ответ, опираясь на кинематику станка.