IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

A Review of Typical CNC Machine Tool Configurations.

The comments and photographs will be confined to reviewing turning centres and CNC lathe configurations and then go on to briefly describe machining centres and CNC mills that are currently available.

Let us begin the review by looking at probably the most popular turning centre configuration currently available and shown in Fig. 1. This slant bed turning centre has a 2-axis controlled turret holding a dozen or so tools in its turret. This allows both right- and left-hand tooling to be situated in the outer ring of tool pockets, with the inner ring being used in the main for hole-making operations: drilling, boring and tapping. A partially programmable tailstock is a standard feature which can be latched up/down to provide workpiece support, using centres. The tailstock's barrel can be programmed to move in and out with a hydraulic pressure regulator controlling the barrel's pressure requirements. This feature is important whenever long, slender workpieces require centre support to avoid them buckling or distorting under the hydraulic pressure application. However, the barrel is not feed programmable for drilling, but it can be used in such a manner if physically connected to the cross-slide and a Z axis motion is programmed with the tailstock latched up. The cast iron slant

Fig. 1 A 2-axis turning centre with programmable tailstock.

bed drops swarf into the tray and is carried away by the continuous chain-type swarf conveyor to a receptacle. The CNC has full colour graphics capability, displayed on a large CRT.

A more sophisticated derivative of the previous turning centre is a twin turret 4-axis machine tool (Cincinnati Milacron, Cinturn 8e, Series 1408, CNC Chucking Centre), but in this case without a tailstock fitted. The CNC has been up-rated allowing the full control of 4-axes, but in this case in a rather unique manner. When programming the part only the X and Z axes of the top turret need be considered and where appropriate the U and W axes of the bottom one can be used to perform simultaneously machining operations such as "balanced turning" where necessary. This feature gives a 4-axes turning centre the ability to manufacture parts much faster, thereby improving the overall productivity considerably. As well as the "balanced turning" operations on long diameters, useful operations using, say, one tool turret for external and the other one for internal work can be accommodated easily. The penalty for such turning flexibility is obviously a much more expensive capital outlay to purchase these machine tools. As with the previous 2-axis machine, a swarf conveyor is a standard feature and essential when such high stock removal rates are possible. It is worth mentioning that programming this 4-axis machine requires the programmer to be concerned with only two primary axes, X and Z, as the secondary motions of U and W are taken care of by the CNe, including collision protection - which is a rather unique programming aid.

If even greater flexibility and increased productivity is required from a turning centre, then the levels of sophistication of machine tool axes configurations can be increased immensely. Probably one of the most sophisticated turning centres available is the Gildemeister (UK) Ltd, GT 50, featuring twin turrets and twin spindles - fully programmable with the ability to use "driven tooling" for the machining of prismatic features on turned components. Incidentally, both of the previous turning centres discussed can be operated with driven tools - milling, drilling and tapping operations from their turrets if so ordered in such a configuration from the machine tool builder.

It is very easy to see that a considerable number of axes may be controlled through the CNC and seven to nine axes are not unusual nowadays. The unique feature of having a twin spindle facility is that the main headstock and chuck is used for all "normal" "chucking" operations. The opposing co-axial spindle can slide down the bed once features to be machined by the headstock are completed by the top turret and grip the component in synchronised rotation whilst the workpiece is still rotating. This allows the component to be withdrawn, or supported whilst parted-off prior to withdrawal enabling "back turning operations" to be completed on the rear of the workpiece by the lower turret. Whilst the "backface" machining operations are under way, the front facing top turret begins simultaneous machining of the next workpiece so that two components are being machined at the same instant of time. Such universal applications do not come cheap, but have expanded manufacturing abilities offering great savings in productivity and if the company has the throughput of work to justify this level of capital expenditure, then pay~back periods are significantly reduced. The control console of this advanced turning centre has remarkably few switches and buttons present to confuse the programmer/operator and the sophisticated and customised software is where the "intelligence" of the CNC machine resides.

Yet another derivative of the turning centre theme so far discussed is the configuration used in the Pittler Petra, where a front loading arm will load workpieces onto twin spindles after removing the previously machined parts. Different components can be manufactured simultaneously by both of the independent slideways offering considerable versatility. When higher production dictates this type of automatic machine work loading, then greater volumetric throughput can be machined on identical parts at the same time, as two can be produced in the time it takes to manufacture one. Once again, a short slant bed is incorporated for each turret, and naturally a swarf conveyor is an essential item in view of the volume of swarf produced. Part delivery can be automatically achieved through the use of workpiece conveyors or gantry loading systems, whichever is applicable to the company's needs.

Whenever there is a call for ultra-precise components and particularly of highly accurate surface finishes, then a totally different CNC turning philosophy must be adopted. To obtain the ultimate surface finishes produced by singlepoint tooling, demands a machine tool with exceedingly high r.p.m. to cope with the speeds necessary, using natural diamond turning tools, together with much greater rigidity, and even more important is the high vibration damping capabilities required when using mono-crystalline diamonds. These capabilities are essential in order to minimise cleavage of the natural diamond tooling cutting edges whilst machining parts at high speed. As a result of 'the specialised cutting edges needed for this type of machining, the tooling and its fixturing tend to be relatively simple in concept. "The CNC diamond turning lathes can machine complex geometric parts as well as relatively simple part geometries with exceptionally fine feedrates, offering superb surface finishes. A degree of automation can be incorporated into such machines by using bar-feeders, or automatic part loading facilities coupled to automatic chucks. Often these machine tools have unusual work holding facilities utilising, for example, vacuum chucks and faceplates and other such methods.

This brief review of CNC turning machine tool applications would not be complete without a 'mention of the vertical lathe. Often such specialized turning machines are used to manufacture large squat and irregular-shaped components which may offer out-of-balance problems, or workholding difficulties on conventional turning machines. Typical of such products manufactured are volutes, or gear crushing rings which are made from exotic materials which are exceedingly difficult to machine. As machine tool rigidity is of prime importance on these machines, with their portal construction being a typical feature, the requirement is for good torque-low speed power characteristics with high volume production being of secondary importance in this case. Tooling needs as a result, tend to be of simple, but robust construction and fine feedrates can be programmed. Owing to the relatively long cycle times necessary for machining exotic materials, or if rotating out-of-balance loads, the low volume production which results dictates manual rather than automatic loading of workpieces. Once again, a simple and strong, but effective method of part clamping is considered to be of prime importance here.

The diversity of machining centre and milling machine configurations available to the would be purchaser is vast and depending upon the part complexity, size and volume produced, there is a range of machines on offer.

Bibliography:

1. G.E. Thyer, Computer numerical control of machine tools. Heinemann, 1988. ISBN 0-434-91959-4.

2. D. Gibbs, An introduction to CNC machining. Cassell, 1987. ISBN 0-304-31412-9.

3. Industrial Engineering (monthly) (Marcel Dekker Inc) - Magazines

4. A.J. Medland, P. Burnett, CADCAM in practice. Kogan Page, 1986. ISBN 0-85038-817-1.

5. W.5. Seames, Computer numerical control: concepts and programming. Delmar, 1990. ISBN 0-82733782-5.

Обзор типовых конфигураций станков с ЧПУ.

Комментарии и фотографии будут ограничиваться обзором токарных центров и конфигураций токарный станок с ЧПУ, а затем кратко описаны обрабатывающие центры и фрезерные станки с ЧПУ, которые в настоящее время доступны.

Давайте начнем обзор с рассмотрения самого популярного токарного обрабатывающего центра конфигурация которого доступна. Это токарный центр с наклонной станиной имеет двух-осную управляемую голову с закрепленным множеством инструментов. Это позволяет одновременно правой и левой рукой располагать инструмент в гнездах внешнего кольца, внутреннее кольцо используется в основном для обработки отверстий: сверление, растачивание и нарезание резьбы метчиком. Частично программируемая задняя бабка стандартная функция, которая может быть защелкнута вверх/вниз, чтобы поддерживать заготовку, используя центры. Вал задней бабки может быть запрограммирован двигаться гидравлическим регулятором давления, контролирующим давление вала. Эта функция важна, когда длинные, тонкие заготовки нуждаются в поддержке центра, чтобы избежать их коробления и искажения при приложении гидравлического давления. Однако, вал не способен программироваться для сверления, но он может быть использован таким образом, если физически подключен к поперечным салазкам и Z оси движения программируется с бабкой фиксации. С чугунных косых станины стружка попадает в непрерывную цепь типа конвейер и попадает в емкость. ЧПУ имеет полноцветную графику отображающуюся на большом мониторе.

Более сложная конфигурация предыдущего токарного центра представляет собой две револьверные головки 4осных станков, но без оснащения задней бабкой. ЧПУ была модернизирована, позволяя полностью контролировать 4-оси, но в данном случае в довольно уникальной манере. При программировании составляющих только оси X и Z в верхней револьверной голове должны быть рассмотрены и при необходимости оси U и W в нижней револьверной голове которые могут быть использованы для одновременного выполнения операций обработки, такие как "сбалансированное точение", где это необходимо. Эта функция дает 4-осевому токарному центру возможность изготовления деталей намного быстрее, тем самым значительно улучшая общую производительность. А также "сбалансированная токарная обработка" работает с большими диаметрами, полезная эксплуатация, используя, скажем, на одной револьверной головке инструмент для внешних и для внутренних работ. Платой за такое универсальное оборудование, очевидно, гораздо более дорогие капитальные затраты на приобретение этих станков. Как и в предыдущих 2осных машинах, конвейер стружки является стандартной функцией и необходимым при такой высокой производительности. Стоит выделить что программирование 4 осного станка обязывает программировать не только основные оси X и Z, но и вторичные U и W в этом помогает ЧПУ в том числе и защита от столкновения – которая является довольно уникальным средством программирования.

Если требовать большую гибкость и повышенную производительность от токарного центра, то уровень сложности станка осей конфигурации может неизмеримо вырастать. Наверное, один из самых сложных токарных центров представляет фирма Gildemeister (UK) Ltd, GT 50, с двумя револьверными головками и двумя шпинделями - полностью программируемый с возможностью использования "инструмента привода" для обработки призматических особенностей на цилиндрических заготовках. Кстати, оба обсуждаемых предыдущих токарных центров могут работать с приводными инструментами - фрезеровать, сверлить и выполнять растачивающие операции с их револьверными головами, если заказать в такой комплектации у производителя станков.

В наше время ЧПУ станки управляющие большим количеством осей это не редкость. Уникальную особенность имеет установка с двойным шпинделем, где бабка и патрон используется для всех зажимных операций. Противоположные соосные шпинделя могут скатиться вниз по салазкам по выполнению механической обработки с использованием бабки и верхней револьверной головки и происходит синхронизация вращения с заготовкой. Это позволяет компоненту сниматься, или поддерживается пока не будет отменено включение «задней токарной операций» или она не завершиться в задней части заготовки с использованием нижней револьверной головки. В то время как «обратные» операции механической обработки продолжаются, в передней верхней револьверной головке начинается одновременная обработка следующей заготовки, так что два компонента обрабатываются в один и тот же момент времени. Такие универсальные приложения не дешевые, но расширяют производственные возможности, предлагая большую экономию в производительности и если у компании есть объем работы, чтобы оправдать этот уровень капитальных расходов, то периоды окупаемости значительно снижается. Консоль управления современного токарного центра имеет несколько необычных переключателей и кнопок представляющих проблему для программиста/оператора и сложность а так же специализированное программное обеспечение которое находится в ЧПУ.

Еще одна разновидность токарного центра конфигурация которого до сих пор обсуждается в компании «Pittler Petra» , где рычаг фронтальной загрузки устанавливает заготовки в два шпинделя после удаления обработанных деталей. Различные компоненты могут быть изготовлены одновременно на обоих независимых направляющих, предоставляющий значительную универсальность. Когда увеличение производства требует применения такого типа машины с автоматической загрузкой, то большую пропускную способность можно достигнуть механической обработкой одинаковых деталей одновременно, две детали можно обработать за время необходимое для одной. Вновь, используется короткие направляющие для каждой револьверной головки, и, естественно, конвейер для стружки является неотъемлемой частью, учитывая объем стружки производства. Поставка деталей может быть автоматической за счет использования конвейеров заготовок или портальных загрузочных систем, в чем нуждаются компании.

Всякий раз, когда есть необходимость в ультра точных деталях и особенно высокоточных поверхностях, то совершенно другая токарная философия должна быть принята. Получить финишную поверхность можно с помощью однозаходного инструмента, требуется станок с чрезвычайно высокими оборотами, чтобы справиться со скоростями, необходимыми для использования алмазного токарного инструмента совместно с большей жесткостью, но еще более важным является демпфирование вибрации для использования монокристаллов . Эти возможности необходимы для того, чтобы минимизировать расщепление режущих кромок природного алмазного инструмента во время обработки деталей на высокой скорости. В результате специализированные режущие кромки, необходимые для данного вида обработки, инструмента и приспособлений, как правило, относительно просты. ЧПУ станки алмазного точения могут работать с деталями сложных геометрических форм, а также со сравнительно простой геометрией деталей на исключительно высокой скорости подачи, с великолепной финишной поверхностью. Степень автоматизации может быть повышена в таких машинах с помощью барфидера, или оборудованием автоматической загрузки деталей в сочетании с автоматическим патроном. Часто эти станки имеют необычные зажимные устройства, например, вакуумный патрон или план шайбу или другую систему.

Этот краткий обзор токарных станков с ЧПУ было бы не полным без упоминания о вертикальном станке. Часто такие специализированные токарные станки используются для изготовления больших плоских и неправильной формы компонентов, которые могут вызывать проблемы равновесия, или трудности зажима на обычных токарных станках. Характерный продукт производства спирали, или дробильно-шестеренные кольца, которые изготовлены из экзотических материалов, которые чрезвычайно трудно поддаются обработке. Жесткость станка имеет первостепенное значение в этих машинах, при их конструировании станины учитываются характерные признаки, требуется хороший крутящий момент с низкими скоростными характеристиками мощности и высокие объемы производства имеющий второстепенное значение в данном случае. Инструмент должен в результате иметь простую но надежную конструкцию и хорошо программируемую подачу. Ввиду относительно длительного цикла времени, необходимого для обработки экзотических материалов, или несбалансированные загрузки вращения, при низких объемах производства предпочтительнее ручная загрузка заготовок перед автоматической. Простые и сильные но эффективные методы зажима детали играют первостепенное значение.

Разнообразие конфигурации обрабатывающих центров и фрезерных станков обширен и доступен покупателям в зависимости от сложности конфигурации детали, размеров и объема производства, есть целый ряд станков для покупки.

Код для цитирования: Скопировать