Въртящата се маса с ЦПУ е прецизно работно-устройство за позициониране, което се монтира върху CNC фреза, обработващ център или мелница и добавя контролирана ротационна ос -, обикновено означена с A, B или C в зависимост от нейната ориентация - към съществуващите линейни оси X, Y и Z на машината. С прости думи, той държи детайла и го завърта до точни ъглови позиции под контрол на програмата, така че режещият инструмент може да обработва характеристики на множество лица, около обиколка или по протежение на извита повърхност, без операторът да спира машината, да освобождава детайла и да го препозиционира ръчно. За разлика от ръчната разделителна глава, която само индексира детайла към фиксирани ъгли и не може да се движи, докато фрезата е включена, въртящата се маса с ЦПУ може да се върти непрекъснато и едновременно с линейните оси, което я прави способна както на просто индексиране, така и на пълно много-осно контуриране. Това е един от най-разпространените и ценово-ефективни начини за разширяване на възможностите на стандартен три-осов обработващ център и се е превърнал в стандартен аксесоар в работилници, цехове за форми, производители на аерокосмически и медицински компоненти и-серийни производствени мощности.
Физически въртящата се маса с ЦПУ се състои от кръгла работна маса, монтирана на прецизни лагери, задвижваща система, която върти масата, устройство за обратна връзка по позицията (обикновено въртящ се енкодер или кръгла решетъчна скала), затягащ или спирачен механизъм за фиксиране на масата по време на тежки срезове и корпус, който се монтира към масата на машината или се интегрира в структурата на машината. Масата има T-слотове или прецизен отвор за фиксиране на детайла, а центърът на въртене е подравнен към координатната система на машината, така че CNC управлението да може да изчисли точната позиция на инструмента спрямо въртящата се част. Размерите варират от малки маси от 100 mm за деликатни медицински и електронни компоненти до много-метрови маси за големи аерокосмически структури, оборудване за производство на електроенергия и компоненти на тежки машини. Изборът на размер, тип задвижване и клас на точност зависи изцяло от обработваните части и необходимите допуски.
Как работи: червячна предавка срещу директно задвижване
Задвижващата система е това, което определя точността, скоростта, твърдостта и цената на ротационната маса и има два фундаментално различни подхода, които се използват днес. Традиционният и все още най-разпространен дизайн е задвижването с червячна предавка: серво мотор завърта червячен винт, който се зацепва с червячно колело, прикрепено към въртящата се маса, осигурявайки голямо намаляване на предавката, което дава висок въртящ момент и фина ъглова резолюция. Масите с червячни зъбни колела са здрави, сравнително евтини и способни да се справят с големи натоварвания и големи сили на рязане, което ги прави работен кон на общото машиностроене и тежката промишленост. Тяхното ограничение е механичната хлабина - малката хлабина между червея и зъбите на червячното колело -, която трябва да бъде сведена до минимум чрез прецизно производство, предварително натоварване и понякога дизайни с двоен-червяк. Дори при внимателно предварително натоварване остават някои остатъчни луфтове и износване с течение на времето, а триенето в зъбната предавка ограничава максималната скорост на въртене и динамичната реакция. За повечето индексиращи и-контурни работи със средна скорост, добре-направената маса с червячна предавка е напълно подходяща и представлява най-добрата стойност.
По-новият подход с по-висока-производителност е двигател с директен{1}}въртящ момент, често съкращаван с DDR. В маса с директно{3}}задвижване, двигател с постоянен магнит с висок-въртящ момент е монтиран директно върху въртящата се ос, като роторът на двигателя е прикрепен към самата маса, а статорът е фиксиран към корпуса - между двигателя и масата няма зъбно колело, ремък или съединител. Това елиминира напълно хлабината, премахва триенето и износването от задвижващия механизъм и дава изключително висока динамична реакция: масата може да ускорява и забавя почти мигновено, да достига високи скорости на въртене и да задържа позиция с изключителна твърдост. Обратната връзка за позицията обикновено е кръгла решетъчна скала с висока-резолюция (често с разделителна способност под-арксекунда), монтирана директно върху въртящата се ос, даваща пълен затворен{10}}контрол върху действителната позиция на масата, а не на позицията на двигателя. Масите с директно{12}}задвижване са стандарт за високо{13}}скоростна обработка с пет{14}}оси, прецизна обработка на матрици и матрици, компоненти на аерокосмически турбини, медицински импланти и всяко приложение, където се изисква плавно, точно и едновременно въртеливо движение. Техният компромис е по-висока цена и, в някои конструкции, по-нисък продължителен въртящ момент в сравнение с червячна редукторна маса със същия размер, въпреки че съвременните конструкции на двигатели с въртящ момент са намалили значително тази разлика. Трета, специализирана опция е индексиращата маса с челно-зъбно колело или съединител на Hirth, която използва двойка прецизно-машинно обработени челни зъбни колела, за да фиксира масата във фиксирани ъглови позиции с изключителна точност и твърдост - идеална за индексирана обработка с висока-сила, но неспособна на непрекъснато въртене.
Ротационни маси с 4-та ос срещу 5-та ос
CNC въртящите се маси са широко категоризирани според това колко оси на въртене осигуряват и това определя какъв вид обработка позволяват. Въртящата се маса с 4-ос осигурява единична ос на въртене - обикновено ос A- (въртяща се около оста X-), когато е монтирана хоризонтално на вертикален обработващ център, или ос C- (въртяща се около оста Z-), когато е монтирана вертикално - и е най-често срещаната тип. С 4-та ос машина с три-оси може да завърти детайла, за да обработи елементи от множество страни, да пробие радиални отвори около цилиндър, да изреже зъби или шлици на зъбни колела, да фрезова спирални канали и профили на гърбици и да обработва всякакви елементи, които изискват частта да бъде ориентирана под ъгъл. Основното ограничение на 4-та ос е, че инструментът може да се доближи до детайла само от посоки, перпендикулярни на ротационната ос; той не може да наклони частта, за да представи ъглови или подрязани повърхности на фрезата. За призматични части с елементи от четири или пет страни, цилиндрични части и компоненти, изискващи периферна обработка, 4-та ос обикновено е достатъчна и предлага най-добрата възвръщаемост на инвестицията.
Въртяща се маса с 5-ос -, наречена по-точно 5-осна въртяща се маса или въртяща се маса -, осигурява две ротационни оси, обикновено ос на накланяне (A или B) и въртяща се ос (C), монтирани заедно, така че детайлът да може да се накланя и върти. Това дава на режещия инструмент достъп до почти всяка повърхност на детайла в една настройка, което позволява обработката на сложни три-измерни повърхности като турбинни лопатки и работни колела, кухини за матрици и матрици, аерокосмически структурни компоненти, медицински импланти и всяка част със сложни ъгли или подрязвания. В напълно едновременен режим на пет{10}}оси, всичките пет оси (X, Y, Z и двете въртящи се оси) се движат едновременно, което позволява на фрезата да следва сложна 3D траектория на инструмента, като същевременно поддържа оптималния ъгъл на рязане - нещо невъзможно на машина с три- или четири-оси. Въртящите се маси с пет{15}}оси се предлагат в няколко конфигурации: маси в стил -наклон, при които частта се държи между две опори и се върти върху наклонена ос, вградени-в машини с пет-оси, където ротационните оси са част от структурата на машината, и добавени-маси с пет-оси, които се монтират върху стандартна три-осна машина. Добавянето на маса с пет-оси към съществуваща машина с три-оси е често срещан начин за придобиване на възможност за работа с пет-оси на малка част от цената на нов обработващ център с пет оси, въпреки че изисква внимателно внимание към движението на машината, хлабината и съвместимостта на системата за управление.
Ключови спецификации на производителността
Когато се оценява CNC въртяща се маса, няколко спецификации определят дали тя ще работи адекватно за дадено приложение и разбирането им предотвратява често срещаната грешка да се купува само въз основа на диаметъра на масата. Точността на позициониране (или точността на индексиране) е максималната разлика между зададената ъглова позиция и действителната позиция на масата, измерена в дъгови секунди (една дъгова секунда е 1/3600 от градуса). Масите с-зъбни предавки с общо предназначение обикновено постигат ±10 до ±30 дъгови секунди; прецизна червячна предавка или маси с директно-задвижване постигат ±2 до ±5 дъгови секунди; и ултра{10}}прецизни маси с директно{11}}задвижване с кръгли решетки с висока-разделителна способност могат да постигнат ±1 дъгова секунда или по-добре. Повторяемостта е способността на таблицата да се връща в една и съща позиция многократно и често е по-важна от абсолютната точност за производствената работа - таблица с добра повторяемост може да бъде компенсирана за малки системни грешки, докато таблица с лоша повторяемост не може. Прецизните таблици обикновено предлагат повторяемост от ±0,5 до ±2 дъгови секунди.
Луфтът, размерът на хлабината в задвижването, когато посоката е обърната, е критична спецификация за масите с червячни зъбни колела и по същество е нула за масите с директно{0}}задвижване. Прекомерната хлабина причинява грешки при позициониране, когато масата обърне посоката, видими като свидетелски белези върху детайла или несъответстващи елементи в точка на обръщане. Максималната скорост на въртене определя дали масата може да се справи със скоростта на подаване, необходима за високо-скоростно контуриране - масите с червячни зъбни колела често са ограничени до 20–100 rpm, докато масите с директно-задвижване могат да достигнат няколко стотин rpm или повече. Капацитетът на натоварване, както статичен (тегло, което масата може да издържи, когато е неподвижно), така и динамично (тегло, което може да позиционира точно, докато се върти и ускорява), трябва да надвишава теглото на детайла плюс приспособлението, с граница на безопасност. Диаметърът на масата определя максималния размер на детайла, а централната височина (разстоянието от масата на машината до центъра на въртене) трябва да е съвместима с хода на Z-осите на машината и дължината на инструмента. Моментът на затягане, силата на задържане на спирачката на масата, когато е заключена, определя на каква сила на рязане може да устои масата по време на индексирана обработка без изместване. И накрая, съвместимостта с CNC управлението на машината - Fanuc, Siemens, Mitsubishi, Heidenhain или други - и наличието на правилното задвижване на осите, интерфейс за обратна връзка и M-код функции за затягане/разтягане са от съществено значение и често се пренебрегват до инсталирането.
Защо има значение: обработка на много-чела в една настройка
Единствената най-голяма причина CNC въртящите се маси да имат значение е, че те позволяват множество лица на детайл да бъдат обработени в една настройка и това има каскадни предимства за точност, производителност и цена. Помислете за прост правоъгълен блок, който изисква фрезоване, пробиване и нарязване на четирите странични повърхности плюс горната. При стандартна три-осова машина операторът обработва горната и едната страна, след това спира машината, освобождава детайла, обръща го на следващата страна, посочва го навътре, затяга го отново и изпълнява следващата програма -, като повтаря това за всяка страна. Всяко повторно -фиксиране въвежда малка грешка в позиционирането: частта може да бъде изместена с няколко микрона, леко завъртяна или затегната с неравномерен натиск. Тези грешки се натрупват при настройките, така че връзката между характеристиките на различни лица - перпендикулярността на дупките, успоредността на противоположните повърхности, позиционната точност на напречните-отвори - се влошава с всяко повторно-затягане. За части с тесни геометрични толеранси тези натрупани грешки могат да означават разликата между отговаряща на изискванията част и скрап. С въртяща се маса с 4-ос, частта се фиксира веднъж и масата се завърта, за да представи всяка повърхност на фрезата. Всички елементи се обработват от една настройка, така че геометричната връзка между всяко лице се запазва до точността на машината и въртящата се маса - без натрупана грешка при настройка. Ето защо въртящите се маси са от съществено значение за части, които изискват толеранси на истинска позиция, перпендикулярност или успоредност в множество повърхности, като хидравлични колектори, корпуси на скоростни кутии, тела на клапани и структурни аерокосмически компоненти.
Освен точността, обработката с една-настройка драматично намалява времето за цикъл и разходите за труд. Времето, прекарано в спиране на машината, отваряне на вратата, освобождаване, повторно -фиксиране, индикация и повторно затягане е не-продуктивно време -, то може лесно да добави 5 до 15 минути на страна, а за част с пет страни това е половин час или повече време на престой на машината на част. В високо{8}}производствена среда това време на празен ход се превръща директно в по-ниско използване на машината и по-висока цена на част. При въртяща се маса въртенето от едно лице към друго отнема секунди и машината работи непрекъснато от първата операция до последната. Това също така освобождава оператора да се грижи за други машини, да извършва инспекция или да подготвя следващата работа, вместо да бъде обвързан с една машина за многократно пре-оправяне. За работилници, работещи с малки партиди сложни части, намаляването на времето за настройка често е най-убедителното предимство: част, която преди това изискваше пет настройки и половин ден машинно време, сега може да бъде завършена с една настройка и част от времето, което прави магазина по-конкурентоспособен при оферти и по-бърз при доставка.
Комплексна геометрия и едновременна обработка
Докато много{0}}лицевото индексиране е най-честата употреба на въртящите се маси, тяхната най-мощна възможност е едновременната много-осова обработка - при въртене на детайла, докато линейните оси се движат, така че фрезата следва сложна три-измерна траектория на инструмента. Това прави възможно обработването на части, които биха били невъзможни или поне изключително трудни и-отнемащи време, на три-осна машина. Класическият пример е лопатката на турбината или работното колело: усукана, извита повърхност на аеродинамичния профил с различна дебелина и сложни ъгли, където фрезата трябва да поддържа точен ъгъл спрямо повърхността във всяка точка, за да избегне нарязване и да постигне необходимото покритие на повърхността. Обработката на турбинна лопатка на три-осна машина би изисквала десетки настройки, всяка от които представя малка част от повърхността на фрезата, и дори тогава повърхността ще бъде фасетирана и изисква обстойно ръчно полиране. На машина с пет-оси с въртяща се маса острието се фиксира веднъж и фрезата следва цялата повърхност в непрекъсната траектория на инструмента, докато масата се върти и накланя, за да поддържа оптималния ъгъл на рязане -, създавайки точна, гладка повърхност за част от времето.
Други части, които зависят от едновременната ротационна обработка, включват кухини на формата и матрицата със сложни 3D повърхности, където обработката по пет-оси позволява използването на по-къси, по-твърди режещи инструменти (тъй като главата може да се накланя, за да достигне дълбоки кухини без дълго удължение на инструмента), намалявайки деформацията на инструмента и подобрявайки повърхностното покритие и живота на инструмента. Аерокосмическите структурни компоненти - ребра, лостове и скоби с джобове, рампи и ъглови елементи - се обработват по-бързо и по-точно на оборудване с пет-оси. Медицинските импланти, като тазобедрени и коленни протези, зъбни опори и гръбначни импланти, имат сложни органични форми, които изискват контуриране по пет-оси, за да съответстват на анатомията на пациента и да постигнат прецизното покритие на повърхността, необходимо за биосъвместимост. Дори в режим на четири-оси, едновременната обработка позволява спирална интерполация (нарязване на спирален жлеб или резба чрез завъртане на детайла, докато се движи оста Z-), обработка на цилиндрични гърбици, рязане на червячни зъбни колела и фрезоване на спирални жлебове на свредла и челни фрези. За производителите, произвеждащи който и да е от тези типове части, въртящата се маса не е допълнителен аксесоар - това е технологията, която позволява производството на частта на конкурентна цена.
Точност, повторяемост и постоянство на качеството
При прецизното производство качеството на всяка част е толкова добро, колкото и най-неточното звено във веригата на процеса, а за части с ъглови или периферни характеристики въртящата се маса често е това критично звено. Високо{1}}качествена въртяща се маса с точност на позициониране-на дъгова секунда и повторяемост на под{3}}аркична секунда гарантира, че всеки отвор, пробит под ъгъл, всеки изрязан зъб на зъбно колело, всеки слот, фрезован около обиколка, и всяка повърхност, обработена под сложен ъгъл, се позиционират точно там, където програмата казва, че трябва да бъде - част след част, партида след партида. Тази последователност е от съществено значение за взаимозаменяемите части в сглобките: ако кръгът на болта на фланеца е индексиран с ±30 дъгови секунди грешка на една част и ±5 арксекунди грешка на друга, отворите може да не се подравнят в сглобката и частите няма да бъдат взаимозаменяеми. При голям-обем на производство на автомобилни, хидравлични и пневматични компоненти, където частите трябва да се сглобяват без ръчно монтиране, позиционната последователност, осигурена от прецизна въртяща се маса, е предпоставка за процеса.
Повторяемостта е особено важна в производството, защото пряко влияе върху способността на процеса - статистическата мярка за това дали процесът може постоянно да поддържа толеранс. Въртяща се маса с лоша повторяемост въвежда произволна ъглова вариация, която не може да бъде компенсирана чрез компенсиране на програмата, и тази вариация се показва като разпръснати позиции на отворите, неравномерно разстояние между зъбите на зъбни колела или несъответстващи повърхности между частите. Таблица с отлична повторяемост, дори ако нейната абсолютна точност е малко по-ниска, позволява процесът да бъде настроен с едно изместване и след това да работи последователно, давайки висок Cpk (индекс на капацитета на процеса) и нисък процент на скрап. Ето защо много прецизни производители определят повторяемостта като основен критерий при избора на въртяща се маса и защо инвестират в маси с директно-задвижване с обратна връзка с кръгова решетка с висока-резолюция, дори когато по-евтина маса с червячно зъбно колело може да отговаря на номиналната спецификация за точност. По време на живота на една производствена серия, намаляването на скрап, преработка и време за проверка от по-повтаряща се маса далеч надхвърля по-високата покупна цена.
Производителност, автоматизация и въздействие върху разходите
Финансовият аргумент за въртяща се маса с ЦПУ се основава на три стълба: намалено време за настройка, намалена обработка на частите и труд и възможност за поемане на по-сложна работа с по-висок{0}}марж. Намаляването на времето за настройка вече беше обсъдено - замяната на множество ръчни настройки с едно автоматизирано завъртане може да намали времето без{3}}за рязане на детайл с 50% или повече, като директно увеличава използването на машината и производителността. В магазин за работа, където времето за настройка доминира за малки партиди, това може да означава разликата между печеленето на пари от работа и загубата й и позволява на магазина да оферира по-конкурентно и да спечели работа, която иначе би отишла при по-голям конкурент. Намаляването на манипулациите с части е също толкова важно: всеки път, когато оператор извади част, -оправи я отново и я зареди обратно в машината, има риск от повреда, неправилно подравняване и нараняване - особено за тежки или неудобни части. Въртящата се маса елиминира повечето от това манипулиране, подобрявайки безопасността на работното място и намалявайки вероятността от повреда на части, която води до скрап.
Автоматизацията е третият стълб. Въртящите се маси по своята същност са съвместими с роботизирани устройства за зареждане и смяна на палети, тъй като частта се фиксира веднъж върху въртящата се маса (или върху палет, монтиран към нея) и след това се обработва напълно. Това прави много по-лесно внедряването на обработка без{2}}светлини или без надзор: робот зарежда заготовка върху въртящата се маса, машината изпълнява пълната програма, включително всички ротационни операции, и роботът разтоварва завършената част - без намеса на оператор за обръщане или повторно-фиксиране на частта по средата-цикъл. За производителите, произвеждащи големи-обемни части, това може да удвои или утрои ефективната производителност на машината, като й позволи да работи през почивки, нощи и уикенди. И накрая, въртящата се маса разширява обхвата на работа, която един магазин може да поеме. Части, които изискват дупки под ъгъл, много{10}}обработка, спираловидни елементи или 3D повърхности - работа, която преди това би била отхвърлена или изпратена на специалист -, стават осъществими на стандартен обработващ център с добавена въртяща се маса. Това разширяване на възможностите често отваря изцяло нови клиентски сегменти и по-висок-марж за работа, което прави въртящата се маса една от инвестициите с най-висока{16}}възвръщаемост, които може да направи машинен цех.
Избор на правилната въртяща се маса
Изборът на правилната CNC въртяща се маса изисква съпоставяне на възможностите на масата с конкретните части и процеси, вместо просто да закупите най-голямата или най-скъпата налична маса. Първият въпрос е какъв тип работа ще върши масата: чистото индексиране (завъртане до фиксирани ъгли и след това затягане за рязане) изисква твърда, точна маса със здрава скоба, но високата скорост на въртене и динамичната реакция са по-малко важни - добрата маса с червячно зъбно колело е идеална и-рентабилна. Едновременното контуриране (въртене по време на рязане, особено за 3D повърхности) изисква плавно,-свободно движение, висока динамична реакция и точна обратна връзка за позицията - директно-задвижваща маса обикновено е правилният избор или високо-прецизна предварително натоварена червячна редукторна маса за по-малко взискателно контуриране. Вторият въпрос е броят на осите: 4-та ос ще обработва ли частите, или е необходима възможност за истинска 5{12}}ос? Много магазини над-купуват възможност за пет-оси, когато 4-та ос би се справила с 80% от тяхната работа на половината цена, докато други под-купуват и след това се оказват неспособни да поемат сложна 3D работа - решението трябва да се основава на действителния микс от части, а не на бъдещи спекулации.
Размерът и товароносимостта трябва да съответстват на най-големия детайл и приспособление, което масата ще носи, с 20–30% граница на безопасност за динамични натоварвания по време на ускорение. Диаметърът на масата трябва да побира детайла и приспособлението, без да надвисва прекомерно, а централната височина трябва да пасва на хода на оста Z- на машината с най-дългия използван инструмент. Изискванията за точност трябва да се ръководят от най-строгия ъглов толеранс на частите, като точността на таблицата е поне 3–5 пъти по-добра от толеранса на частта (стандартното правило за габарит). Съвместимостта на системата за управление трябва да бъде проверена преди закупуване: масата трябва да се поддържа от CNC управлението на машината, с правилното задвижване на осите, сигнал за обратна връзка и функции на M-код за затягане/разтягане, и машината трябва да има налично задвижване на осите и достатъчно памет и възможност за-гледане напред за едновременни много{10}}осови програми. Съображения за инсталиране - управление на кабелите, защита на охлаждащата течност, евакуация на чипове и дали масата ще бъде постоянно монтирана или премествана между машини - също влияят върху избора. И накрая, поддръжката след{15}}продажбата, наличността на резервни части, услугите за калибриране и репутацията на производителя за качество и издръжливост трябва да натежат много, защото въртящата се маса е прецизен инструмент, който ще се нуждае от периодична поддръжка и повторно калибриране през целия си експлоатационен живот.
Заключение
Въртящата се маса с ЦПУ е много повече от обикновен аксесоар, който върти детайл - това е компонентът, който трансформира три-осна машина от ограничена, едно-обработваща платформа в гъвкава много-осна производствена система, способна да произвежда сложни, високо-прецизни части в една настройка. Чрез добавяне на контролирана ос на въртене, той елиминира натрупаната грешка от многократно повторно -фиксиране, запазва геометричната точност на характеристиките в множество лица, позволява машинната обработка на сложни 3D повърхности и спираловидни елементи, които биха били невъзможни иначе, и драстично намалява не-продуктивното време за настройка и обработка. Независимо дали става дума за червячна редукторна маса, осигуряваща твърдо,-рентабилно индексиране за тежки призматични части, маса за двигател с директен-задвижващ въртящ момент, осигуряваща точност от дъгова секунда и висока-скорост едновременно контуриране за аерокосмически и медицински компоненти, или пет-осна опорна маса, отключваща пълно възможност за пет{14}}оси на съществуваща машина, въртящата се маса е една от инвестициите с най-висока{15}}възвръщаемост, които един производител може да направи. Той увеличава използването на машините, намалява труда и брака, позволява автоматизация и-изгасване на производството и разширява обхвата на работата, която магазинът може да поеме изгодно. За всеки магазин, който иска да премине отвъд обикновената три{19}}осна обработка, да подобри точността и последователността на детайлите и да се конкурира за по-сложна работа с по-висока{20}}стойност, добавянето на правилната въртяща се CNC маса често е най-въздействащото налично надграждане.
