Поворот необязателен

Когда-то токарные станки обрабатывали круглые детали. Они все еще делают это.

Однако производители станков признали, что токарные детали часто требуют, по крайней мере, некоторых фрезерных или сверлильных работ. С деталью, уже удерживаемой на токарном станке, и с токарным станком с ЧПУ, уже способным выполнять движения, которые могли бы эффективно подавать вращающиеся инструменты, было логично увеличить возможности токарных станков, добавив дополнительные шпиндели для работы с вращающимся инструментом. То, что когда-то было специализированным токарным станком, стало также фрезерным и сверлильным.

Фактически станки, которые наиболее эффективно совмещали токарную, фрезерную и сверлильную обработку в одной установке, стали универсальными, многоцелевыми металлорежущими центрами. Учитывая всю возможную механическую обработку, было бы логично переименовать их в «обрабатывающие центры», если бы только это название уже не было занято. Токарный станок с прутковой подачей, который имеет как вращающийся инструмент, так и контршпиндель, противостоящий основному шпинделю, может подавать заготовку с одного конца и обрабатывать все поверхности и элементы сложной детали без вмешательства оператора. Более того, он может производить деталь за деталью до тех пор, пока длится планка. Многие магазины сейчас обрабатывают таким образом. Jesel Valvetrain Innovation является одним из производителей, который особенно опытен в такой обработке.

Компания Jesel со штаб-квартирой в Лейквуде, штат Нью-Джерси, производит компоненты клапанных механизмов, адаптированные к требованиям гоночных автомобилей. Компоненты, которые могут быть отштампованы для обычного автомобильного двигателя, изготавливаются из твердой стали в Jesel. Четырнадцать лет назад компания стала одним из первых пользователей токарного станка с ЧПУ Mori Seiki модели DL-15 с возможностью работы с приводным инструментом. С годами машины развивались, и мастерская продолжала учиться применять их более эффективно. Сейчас производственная площадка на этом заводе включает 11 токарно-фрезерных станков с ЧПУ, большинство из которых — это станки модели ДЛ-150 — более совершенная версия станка, который завод начал использовать впервые.

Часть, недавно представленная компанией, иллюстрирует, насколько далеко продвинулось мышление этого завода в отношении этих машин. Эта деталь является вехой не только для самого завода, но и для эволюции токарно-карусельной обработки в целом. Деталь, верхний кулачковый толкатель, имеет коробчатую форму, смутно напоминающую две запятые или два уха, соединённых вместе. Изначально завод предполагал, что эта деталь будет обрабатываться за пять установов на обрабатывающих центрах. Учитывая стоимость детали и объемы, в которых она будет работать, такой процесс можно было бы легко оправдать. Однако Рэй Фраттон-старший, директор по производству компании, предложил другой подход. Часть роли г-на Фраттоне заключается в том, чтобы найти новые способы более экономичного производства деталей из каталога компании. При этом он много работал с токарно-фрезерным оборудованием. Он понял, что толкатель кулачка достаточно компактен, чтобы его можно было изготовить из цельного прутка. В частности, он может быть изготовлен из прутка из легированной стали 4140 диаметром 1,125 дюйма. Подача этой заготовки через устройство подачи прутка LNS на станке Mori Seiki не только позволит полностью обработать деталь, но и позволит обработать серию деталей, не привлекая к себе внимания.

Над процессом изготовления этой детали работал инженер-технолог Марк Каббедж. Он обнаружил, что на двух 12-позиционных револьверных головках DL-150 действительно достаточно места для размещения всех фрезерных и сверлильных инструментов, необходимых для обработки детали таким образом. Короче говоря, позиций инструмента было достаточно для полной обработки детали. Установка для этой детали включает в себя отрезной инструмент для отделения детали от стержня, но кроме этого, каждая отдельная позиция инструмента, используемая для обработки этой детали, содержит вращающийся шпиндель.

Таким образом, размышления Джезеля о токарных станках с приводным инструментом прошли полный путь. Эти станки теперь используются и ценятся на этом заводе не как токарные станки с некоторыми дополнительными возможностями, а как одноустановочные производственные центры. Как показывает деталь толкателя кулачка, этот станок приносит пользу процессу, даже когда геометрия детали настолько далека от круглой, что практически не требуется традиционная токарная обработка.

Компромиссы

На станке DL-150 изготавливаются два номера детали толкателя кулачка. Большая из двух частей имеет размеры примерно 0,75 на 0,8 на 2,5 дюйма. За исключением термической обработки и хонингования, все производство выполняется на этом станке в рамках цикла, который занимает менее 10 минут.

И главный шпиндель, и вспомогательный шпиндель работают одновременно в течение этого цикла. Главный шпиндель удерживает деталь для чернового фрезерования, чистового фрезерования и сверления. Затем вспомогательный шпиндель берет деталь для завершения фрезерования формы, а также выполняет прорезание пазов, в то время как главный шпиндель начинает обработку следующей детали. Использование термина «шпиндель» в этих контекстах, конечно, несколько неточное, потому что шпиндели используются в этом процессе как оси вращения вместо того, чтобы вращать деталь для токарной обработки. Учитывая то, как используется станок, более уместно говорить о «основном патроне» и «дополнительном патроне».

Программное обеспечение CAM от Gibbs and Associates обеспечивает траекторию движения инструмента. Г-н Каббедж говорит, что плагин для удаления заусенцев от Gibbs оказался особенно ценным. Программное обеспечение программирует точное перемещение сферического инструмента малого диаметра вдоль острых углов детали. Во вторичном патроне это удаление заусенцев также помогает объединить работу первого и второго зажимов в непрерывные и бесшовные обработанные поверхности. Эффективность этого удаления заусенцев на станке была жизненно важна для создания детали, готовой к использованию с небольшими дополнительными усилиями после механической обработки.

И г-н Фраттоне, и г-н Каббедж согласны с тем, что обработка токарным станком с приводным инструментом не идеальна. Приведение детали из исходного материала к завершению за одну обработку с подачей прутка может показаться чрезвычайно эффективным, но на самом деле этот тип машины представляет собой компромисс, который необходимо согласовать. Несмотря на то, что машина достаточно универсальна, чтобы не ограничиваться только токарными деталями, чтобы обеспечить ценность, она не обязательно подходит для любой детали, которая может подпадать под диапазон пруткового проката. По сравнению с обработкой детали за несколько установов на обрабатывающем центре, проблемы, с которыми Джесел столкнулся при обработке детали на токарном станке, включали все следующее:

• Время установки. Токарный станок с приводом имеет в общей сложности 24 позиции инструмента на двух револьверных головках. Небольшой вертикальный обрабатывающий центр обычно имеет в своем магазине больше инструментов, чем это, а производственный горизонтальный обрабатывающий центр будет иметь значительно больше инструментов. Таким образом, на обрабатывающих центрах инструменты могут оставаться на месте внутри станка до тех пор, пока они не потребуются. Напротив, на токарном станке с приводным инструментом инструмент обычно приходится полностью менять для каждого нового номера детали, который работает в цеху. Тщательная смена инструмента занимает достаточно много времени, так что детали, как правило, должны обрабатываться сотнями, прежде чем можно будет амортизировать время наладки. Это не проблема для деталей толкателя кулачка, потому что Jesel имеет тенденцию запускать этот номер детали в течение нескольких недель, чтобы пополнить свой запас. Однако требование времени на настройку инструмента помешало бы той же самой детали выполняться небольшими партиями или точно в срок, если только машину нельзя было бы каким-то образом оставить настроенной и полностью посвященной номерам деталей в этом семействе .
• Проблемы ограничения. Еще одно преимущество, которое помогает Jesel эффективно внедрять необычные процессы, заключается в том, что его проектирование и производство происходят на одном и том же объекте площадью 110 000 квадратных футов. Координация между производством и проектированием была важна для эффективного изготовления этой детали, потому что патрон в противошпинделе нуждался в надежной форме, чтобы зажать ее. Часть была переработана для этого. Однако даже при этом усилие зажима ограничено. Частично обработанная деталь достаточно гибкая, поэтому высокое усилие зажима патрона может повлиять на точность. Таким образом, в противошпинделе деталь удерживается в патроне с мягкими кулачками при умеренном усилии зажима, и, соответственно, ограничивается агрессивность операций обработки.
• Риск болтания. В дополнение к ограниченной удерживающей силе есть еще один фактор, который еще более важен для ограничения того, насколько агрессивно процесс может резать. Вращающиеся инструменты в этом процессе неизменно имеют большой вылет, потому что инструменту требуется достаточный зазор, чтобы пройти мимо кулачков патрона. Эти инструменты увеличенной длины создают повышенный риск отклонения и вибрации, что ограничивает глубину резания, особенно в таких приложениях, как обработка стали. Прежде чем этот процесс можно было запустить в производство, персонал Jesel должен был тщательно протестировать и отрегулировать процесс, чтобы убедиться, что критические проходы обработки не вибрируют таким образом, что это ставит под угрозу жесткие допуски. Даже при этом некоторые инструменты изнашиваются быстрее, чем при более жестком процессе, говорит г-н Каббедж. Один конкретный фрезерный инструмент необходимо менять после каждых 10 штук.

Выплаты

Тем не менее, по его словам, инструменты могут быстро изнашиваться и в процессе обрабатывающего центра. Процесс с участием обрабатывающих центров также должен быть в некоторой степени отлажен, чтобы обеспечить достижение критической точности. Тот факт, что Jesel взялся за процесс на токарном станке с приводом, является достаточным свидетельством того, что эти проблемы можно преодолеть. На самом деле, эти препятствия ничтожны по сравнению с рисками, которые могут возникнуть при обработке одной и той же детали несколькими настройками обрабатывающих центров, говорят сотрудники Jesel.

Одним из таких рисков является ошибка. Каждая новая обработка создает риск ошибки, связанной с настройкой. В процессе с пятью наладками ценность, добавленная четырьмя точными операциями обработки, может быть потеряна, если пятая загрузка детали окажется ошибочной, что приведет к браку детали. Токарно-фрезерный станок избегает этой опасности, устраняя манипуляции, а единый процесс поддерживает все взаимосвязи между элементами по всей геометрии детали.

Другими словами, для детали кулачкового толкателя Jesel будет жить с временем настройки для смены инструментов, потому что им легче управлять, чем временем загрузки/разгрузки при перемещении деталей от одной операции к другой на обрабатывающих центрах. Магазин также согласится с необходимостью избегать болтовни и управлять ею, потому что это намного лучше, чем вероятность непредсказуемых ошибок и брака в процессе, который включает в себя множество операций.

Наконец, персонал Jesel также будет мириться с тем фактом, что их токарный станок работает дни и недели, практически ничего не делая для токарной обработки. Мастерская продолжает расширять свое понимание того, как эффективно использовать универсальные станки, и опыт эффективной обработки этой детали обрабатывающего центра на токарном станке с приводным инструментом дал мастерской ценную информацию. В будущем многие детали, которые предположительно являются «работой обрабатывающего центра», будут восприниматься по-другому.