Экономические и технические критерии выбора токарного металлообрабатывающего оборудования

Автор: Ванюков Андрей Сергеевич, руководитель технологического отдела ООО “Инкор”

Для кого материал: Для руководителей и технологов металлообрабатывающих производств.


Как и для любого вида оборудования основными критериями выбора токарного оборудования являются экономическое обоснование и технические характеристики станка.

1. Экономический аспект выбора токарного станка

1.1. Себестоимость изготовления детали.

Необходимо учесть фиксированные и возможные (вариативные) затраты. Фиксированные: начальные капитальные вложения, амортизация станка, проценты по кредиту (если есть). Вариативные: затраты на материалы, энергоносители, на рабочую силу, на инструменты, на техническое обслуживание и ремонт, на запасные части, в случае, если потребуется замена.
При этом надо учитывать, что себестоимость изготовления детали на более дешевом оборудовании, будет ниже, поскольку станки меньшего типоразмера, как правило, стоят дешевле.
Также себестоимость изготовления детали очень тесно связана с производительностью обработки. Одни и те же детали можно изготовить на самых разных видах оборудования, но в зависимости от технологии и вида оборудования они могут существенно отличаться в себестоимости.
Нужно учитывать серийность производства, размер средней партии изготовления самой мелкой и самой большой детали.
Очень важно просчитать коэффициент загрузки оборудования каждого типоразмера. Если речь идет о группе токарных станков для всего диапазона обрабатываемых деталей, то необходимо просчитать какие детали необходимо обрабатывать на станках меньшего типоразмера, а какие на большего типоразмера.

1.2. Занимаемая площадь.

Еще одним из критериев в современных производствах является занимаемая площадь оборудованием. Не секрет, что станки, построенные на новых принципах бережливого производства при одной и той же рабочей зоне, могут иметь до 1,5 раз меньшую занимаемую площадь, как самим станком, так и зоной для обслуживания станка.

Схема определения занимаемой пощади станком

А - зона работы простого оператора
В - зона для выдвижения контейнера стружки
С - зона для подключения податчика прутка или автоматического погрузчика
D - зона электрошкафов и централизованных станций

2. Технические критерии выбора токарного станка

2.1. Габариты рабочей зоны

Это главный технический критерий, который определяет возможность обработки самой мелкой и самой большой детали.

Для токарного станка габариты рабочей зоны определяются межцентровым расстоянием, ходам по осям, габаритами узлов станка, револьверной головой и ее блоками, габаритами фрезерного шпинделя для многоцелевых токарно-фрезерных центров, диапазоном зажимаемых диаметров люнетом.

При выборе станка обязательна проверка габаритов рабочей зоны по диаметру и длине определенным инструментом, как на возможность обработки, так и на соударение инструмента (или соседнего инструмента) с оснасткой или деталью.

Определение габаритов максимальной детали при обработке конкретным инструментом (диаграмма соударений):

Анализ рабочей зоны с учетом размещения шпиндельного узла и инструмента при обработке:

Если планируется изготавливать детали из прутка, то необходимо учитывать следующие характеристики токарного станка:

ХАРАКТЕРИСТИКА	ПРИМЕЧАНИЯ
Отверстие шпинделя	Чем оно больше, тем меньше скорость вращения шпинделя.
Проходное отверстие патрона	Патрон ограничивает отверстие шпинделя. Это кажущаяся мелочь, которую часто забывают учитывать. В результате можно неожиданно столкнуться с ограничением или невозможностью обработки детали.
Проходное отверстие тяговой трубы	Ограничивает отверстие шпинделя. Необходимо учитывать при выборе станка.
Проходное отверстие гидравлического цилиндра	У него есть свои параметры для проходного отверстия, которые нужно проверить.

2.2. Тип станины.

В современном токарном оборудовании можно выделить два основных типа станины: прямая или наклонная.

2.2.1. Токарные станки с прямой станиной являются самыми распространенными, поскольку объединяют в себе производительность и долгий срок службы по доступной цене. Прямая станина позволяет выпускать токарные станки с максимальным диапазоном РМЦ и высотой центров. Такие модели лучшим образом подойдут для обработки деталей относительно большого диаметра (свыше 1000мм) и длины (более 5000мм). 

Практика показываем, что станки с прямой станиной выбирают, когда покупают универсальные токарные станки без системы ЧПУ, силовые токарные станки с большим весом деталей, а также тяжелые трубонарезные станки с устанавливаемыми 2-мя патронами на передней бабке. Для классической токарной обработки деталей длиной до 3-х или 5-ти метров более производительно обрабатывать детали на станках с наклонной станиной.

2.2.2. Токарные станки с наклонной станиной имеют более высокую жесткость, скорость перемещений и вращения заготовки, шпиндель приводится в движение серводвигателем, стружка из зоны резания удаляется максимально быстро и просто (падает под собственным весом, попадает в стружкосборник и далее в тележку). Они ориентированы на средне- и крупносерийное производство деталей. 

2.2.3. Токарно-фрезерные обрабатывающие центры – являются разновидностью станков с наклонной станиной. Это высокотехнологичное оборудование, обладающее всеми преимуществами станков с наклонной станиной и при этом способное выполнять как токарную, так и фрезерную обработку при помощи приводного инструмента. Возможный функционал станка может включать противошпиндель и ось Y. Таким станкам характерны высокие показатели точности и производительности, а также минимальное участие оператора в работе, что легко позволяет организовывать многостаночное обслуживание. Его покупка целесообразна в случае мелкосерийного производства сложных дорогих изделий в авиационной, космической, приборостроительной отраслях, требующих выполнения максимально возможного количества токарно-фрезерных операций за один установ. 

Компоновка токарно-фрезерного обрабатывающего центра

2.3. Максимальная грузоподъемность станка

Грузоподъемность станка зависит от комплекса параметров элементов станка. Речь идет о шпинделе, подшипнике шпинделя, пиноли задней бабки, люнете и роликовом опорным кронштейне, общем весе станка и т.д.

При этом рассчитывается комплексная грузоподъемность элементов, используемых для изготовления конкретной детали.

Для станков с прямой станиной для расчета грузоподъемности необходимо учитывать следующие факторы:

• деталь зажимается только в шпинделе;

• деталь зажимается в шпинделе и подпирается задней бабкой. 

• деталь зажимается в шпинделе, подпирается задней бабкой и поддерживается люнетом

Пример максимальной грузоподъемности для токарного станка с прямой станиной:

	Параметры
1	Грузоподъемность при зажиме детали в шпинделе	2,500 кг
2	Грузоподъемность при зажиме детали в системе Шпиндель + задняя бабка	8,000 кг
3	Грузоподъемность при зажиме детали в системе Шпиндель + задняя бабка + 1 люнет	10,000 кг
4	Грузоподъемность при зажиме детали в системе Шпиндель + задняя бабка + 2 люнета	12,000 кг

Примечание:

1. Пиноль задней бабки диам. 250мм может увеличить грузоподъемность на 4,000кг.

2. Пиноль задней бабки диам. 350мм может увеличить грузоподъемность на 9,000кг.

3. Роликовый опорный кронштейн для тяжелых режимов может увеличить грузоподъемность на 7,000кг.

ПРИМЕР:

Требуется обработка вала диаметром 500 мм и длинной 3000 мм из стали 40Х. Вес данной детали будет составлять примерно 4600 кг. Соответственно, для обработки данного вала нам потребуется установить деталь в патроне и поджать задней бабкой или установить в патроне и установить 1 люнет ПРИМЕЧАНИЕ:  для станков с наклонной станиной грузоподъемность станка не зависит от количества установленных люнетов и определяется только указанной производителем максимальной грузоподъемностью станка при зажиме детали в патроне и задней бабке.

2.4. Револьверная головка

Одним из ключевых элементов, влияющим на функциональные возможности станков с ЧПУ, является тип применяемой револьверной головки.

Револьверная головка служит для крепления держателей инструмента и может одновременно вмещать 4, 6, 8, 10, 12 и больше позиций для держателей инструментов. 

Инструментальное оснащение револьверных головок 

Ряд производителей токарного оборудования устанавливают на свои станки 12-ти позиционные револьверные головки с индексом поворота 15⁰. Это позволяет применять двойные и тройные блоки держателей инструмента, таким образом инструментальная емкость 12-ти позиционной головки может быть увеличена до 24 инструментов. Увеличение количества мест для крепления инструмента с одной стороны позволяет установить большее число инструментов и реже производить переналадку оборудовании, но с другой, зачастую, приводит к уменьшению сечения инструмента (державки резца).

Разновидностью револьверных головок являются револьверные головки с приводом для выполнения сверлильно-фрезерных операций.

Инструментальное оснащение револьверных головок с приводным инструментом 

Именно они вместе с дополнительной поперечной осью Y превращают токарный станок с ЧПУ в токарно-фрезерный обрабатывающий центр. Конструкция приводной головки предполагает наличие собственного двигателя для приведения в движение в устанавливаемых приводных блоках специализированного инструмента (сверла, метчики, фрезы). Приводная головка позволяет использовать вращающийся инструмент в радиальном и аксиальном направлении. При этом стоит обратить особое внимание, чтобы инструменты и оправки не мешали друг другу и не возникало возможности столкновения с узлами станка или деталью. Замена оправок осуществляется вручную. Для осуществления полноценных операций фрезерования, сверления и нарезания резьбы важно наличие высокоточного датчика контроля положения, который реализует так называемую ось С.  Он осуществляет позиционирование шпинделя на заданный в программе угол с высокой дискретностью в обоих направлениях и обеспечивает отсутствие влияния люфтов кинематики на точность позиционирования.

Токарные револьверные головки различаются системами крепления инструмента. Самый простой способ – это при помощи клинового блока (применяется в неприводных револьверных головках).

Наиболее распространены системы револьверных головок с приводным инструментом по способу крепления инструмента: VDI и BMT. Каждая из них имеет свои преимущества. Система BMT обеспечивает лучшую жесткость крепления блока к револьверной голове за счет крепления по 4-м болтам и пазу, а система VDI более простую и быструю смену инструмента.

При подборе головки нужно помнить, что она производит смену установленных инструментов и их перемещение по программе, что позволяет производить необходимые технологические операции без переустановки заготовки. Поэтому важно, чтобы она делала это за минимальное время, то есть по кратчайшему расстоянию. Это в значительной мере снижает общее время обработки и повышает производительность.

Кроме скорости смены активного инструмента, также важным является возможность подачи СОЖ с индивидуальной регулировкой под каждый вылет режущего инструмента. Это обеспечит лучшее теплоотводение и качественный отвод стружки.

2.5. Токарный патрон

Для закрепления заготовки на шпиндель устанавливают зажимное устройство – токарный патрон. Патрон необходим для проведения практически всех токарных операций и входит в обязательный комплект поставки. Токарные патроны бывают механическими (ручные) и механизированными.

Наиболее распространенный класс патронов - механические, зажим заготовки в патроне производится вручную, например, за счет перемещения кулачков ключом. Патроны разделяются на кулачковые, поводковые и цанговые. Первая группа делится на самоцентрирующиеся (обычно с 3 кулачками) и несамоцентрирующиеся (количество кулачков может быть 2, 4 или 6). Шестикулачковые патроны используются реже всего.

К механизированным патронам относят: пневматические, гидравлические, электрические. Все эти модели направлены на автоматизацию процесса зажима-разжима заготовки с заданным усилием. Гидравлические патроны чаще используются на станках с диаметром патрона больше 200 мм (диаметры импортных патронов указаны в дюймах 6, 8, 10, 12, 15 и далее дюймов). Пневматические патроны применяются на токарных автоматах. Цанговые патроны служат для зажима прутковой заготовки относительно небольшого диаметра. Электрические патроны не получили широкого распространения из-за своей не очень высокой надежности, величины усилия зажима и ограничений по скорости вращения шпинделя.

Кроме того, патроны бывают сквозные и закрытые. Патроны сквозного типа могут пропускать через себя заготовку, что позволяет использовать автоматический податчик прутка (барфидер).

Необходимо обратить внимание, что диаметр отверстия в шпинделе с механическим патроном – всегда больше отверстия в гидравлическом патроне. Это обусловлено применением тяги, с помощью которой осуществляется передача усилия от цилиндра зажима/разжима для перемещения кулачков.

Тип и размер патрона выбирают в зависимости от формы заготовки. Определяя диаметр устанавливаемого патрона, стоит помнить, что он оказывает влияние и на возможный диаметр заготовки, и на удобство ее закрепления. Кроме ограничения по максимальному диаметру - существует и минимальный диаметр, зажимаемый в стандартных кулачках патрона. Надо учитывать, что чем больше диаметр патрона - тем большего диаметра будет минимальный зажимаемый диаметр. Данные ограничения можно частично устранить использованием специализированных кулачков.

2.6. Задняя бабка

Задняя бабка токарного станка — это узел, который служит для фиксации обрабатываемой заготовки при помощи упорного или вращающегося центра и, по сути, является второй опорой для вращающейся заготовки. Зачастую ее применяют при обработке длинной и тяжелой детали, поджимая заготовку со второй стороны, создавая усиленную ось вращения и уменьшая возможные отклонения от оси вращения.

Для этого в конструкции упорной бабки есть пиноль. В ее левом торце имеется коническое отверстие, служащее для установки и фиксации приспособлений и инструмента. Пиноль может выдвигаться и отводиться перемещением маховика, то есть ручным способом, или с помощью гидравлического или электромеханического устройства выдвижения.

Сама задняя бабка станка чаще всего перемещается также вручную оператором. На некоторых моделях станков она может иметь свой привод и автоматически перемещаться вдоль оси Z к месту зажима под управлением системы ЧПУ.

На некоторых моделях токарных обрабатывающих центров с наклонной станиной возможна замена задней бабки на противошпиндель.

2.7. Люнет

Люнеты применяют в качестве дополнительной опоры при обработке заготовок значительной длины (выступающая часть заготовки превышает 12-15 диаметров). Люнет позволяет избегать лишних вибраций, биений и прогибов, повышая тем самым точность обработки, а также добиться равномерного распределения нагрузки на деталь. Они могут использоваться и как промежуточная опора при наружной обточке вала в центрах и как концевая опора с закреплением одного конца в патроне при подрезке торца длинной детали и торцевом сверлении или расточке.

Классификация люнетов:

1. неподвижный (устанавливается на станину) и подвижный (устанавливается на суппорт). Преимущественно неподвижный люнет оснащен тремя несамоцентрирующимися кулачками, в которых фиксируется заготовка и предназначен для черновой обработки вала. Токарный подвижный люнет применяется в тех случаях, когда требуется сделать чистовую обработку, точить резьбу на длинной детали и так далее.

2. С опорами качения и скольжения: первые называют роликовые люнеты, а вторые — кулачковые люнеты.

3. С ручным независимым перемещением кулачков и люнеты с гидроприводом самоцентрирующиеся (применяются в станках ЧПУ).

Наверняка, у вас появилось много уточняющих вопросов, или вам нужно помочь произвести расчеты, необходимые для выбора станка.  Пишите, всегда рады помочь!