CC BY
34
УДК 621.9.06, 62-523.8
РАЗРАБОТКА СПЕЦИАЛЬНОЙ ТРЕХОСЕВОЙ ШПИНДЕЛЬНОЙ ГОЛОВКИ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТЕЙНОЙ ОСНАСТКИ ПО ТЕХНОЛОГИИ HSM (HIGH SPEED MACHINING)
1 л 4
© И.Г. Майзель1, В.В. Платонов2, Е.Я. Глушкин3
1Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
2,3Хакасский технический институт - филиал Сибирского федерального университета, 655017, Россия, Республика Хакасия, г. Абакан, ул. Щетинкина, 27.
Приведены результаты проектирования высокоскоростной 3-осевой шпиндельной головки для производства крупногабаритной литейной оснастки. Показано, что использование дополнительного линейного привода способно значительно расширить технические возможности металлорежущего оборудования для решения поставленных технологических задач. Отмечена целесообразность использования данной шпиндельной головки для крупногабаритных деталей с большим числом отверстий, что позволит существенно повысить надежность технологического процесса.
Ключевые слова: шпиндельная головка; продольно-фрезерный станок; модернизация; ЧПУ; расширение технологических возможностей; SprutCAM; точность.
DEVELOPMENT OF A SPECIAL THREE-AXIS SPINDLE HEAD FOR FOUNDRY TOOLING PRODUCTION BY HSM (HIGH SPEED MACHINING) TECHNOLOGY I.G. Maizel, V.V. Platonov, E.Ya. Glushkin
Irkutsk National Research Technical University,
83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Khakass Technical Institute - Branch of Siberian Federal University,
27 Shchetinkin St., Abakan, Republic of Khakassia, 655017, Russia.
The article presents the results of designing a high-speed 3-axis spindle head for the production of a large-size foundry tooling. The use of an additional linear actuator is shown to significantly expand the technological possibilities of metal-cutting equipment in solving technological problems. The feasibility of using this spindle head is indicated for large parts with multiple holes as it will considerably increase the reliability of the technological process.
Keywords: spindle head; planer-type mill; modernization; CNC (Computerized Numerical Control); expansion of technological opportunities; SprutCAM; accuracy.
В современном машиностроении широко применяется высокоскоростная 5-осевая обработка крупных деталей сложной формы. Обработка обычно ведется на продольно-фрезерных станках, при этом чаще всего деталь на столе неподвижна, а все движения (три линейные X, Y, Z и два круговых A, C) выполняются за счет перемещения инструмента с использованием высокоскоростной технологии HSM (High
Speed Machining). Различают 5-осевую непрерывную и 5-осевую позиционную (так называемую «3+2»-осевую) обработку; частным случаем позиционной обработки можно считать 5-осевое сверление. По конструкции большинство 5-осевых станков имеет 3 линейные (X, Y и Z) и 2 поворотные оси, которые можно условно разделить на следующие группы [1]:
1. Для небольших станков с рабочей
1Майзель Игорь Геннадьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры оборудования и автоматизации в машиностроении, тел.: 89027638311, e-mail: baik-@mail.ru
Maizel Igor, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Equipment and Automation in Mechanical Engineering, tel.: 89027638311, e-mail: baik-@mail.ru
2Платонов Владимир Викторович, кандидат технических наук, доцент кафедры машиностроительных и металлургических технологий, тел.: 89069524501, e-mail: pvv_hti@mail.ru
Platonov Vladimir, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Engineering and Metallurgical Technologies, tel.: 89069524501, e-mail: pvv_hti@mail.ru
Глушкин Евгений Яковлевич, кандидат технических наук, доцент кафедры электроэнергетики, тел.: 89503024523, e-mail: master8850@mail.ru
Glushkin Evgeny, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Electrical Power Engineering, tel.: 89503024523, e-mail: master8850@mail.ru
зоной не более 1 м по любой оси поворот по обеим круговым осям обычно осуществляет стол с заготовкой (рис. 1). При этой конструкции линейная ось (2) инструмента не меняется, поэтому для программирования следует знать положение заготовки относительно поворотных осей и как следствие процесс 5-осевого сверления по позиционной обработке не вызывает трудностей.
2. Для средних станков поворот по одной оси выполняет стол, а по второй -шпиндельная головка (рис. 2).
Особенностью данной конструкции станка является то, что если заготовку установить на призматический стол, то станок будет работать как 4-осевой (X, У, 2, В). Для расширения технологических возможностей станка (рис. 3) применен вариант установки наклонной фрезерной головки (ось В) в сочетании с поворотным столом (ось С). В обоих вариантах ориентация и инструмента, и заготовки меняется, так что для программирования нужно знать положение вершины инструмента относительно
поворотной оси головки (а значит, и длину инструмента) и положение заготовки относительно поворотной оси стола. Поэтому реализация 5-осевого сверления при позиционной обработке может осуществляться только за счет взаимных приращений по линейным осям (X, У, 2), что не всегда приемлемо.
3. Большие современные 5-осевые продольно-фрезерные станки (рис. 4), поддерживающие высокоскоростные режимы обработки, имеют круговые оси (А и С) в шпиндельной головке, при этом, как правило, заготовка неподвижна, а все осевые движения происходят за счет перемещения инструмента. При этой компоновке заготовка остается фиксированной, поэтому для программирования надо знать положение кромки инструмента относительно поворотных осей и длину инструмента. При данной компоновке 5-осевое сверление также может осуществляться только за счет взаимных приращений по линейным осям.
Рис. 1. 5-осевой станок, поворотные оси (А и С) которого реализованы взаимно перпендикулярным
вращением стола с заготовкой
Рис. 2. 5-координатный станок, в котором поворот вокруг оси В реализован вращением шпиндельной головки, а круговая ось С реализована вращением круглого стола
Рис. 3. Вариант 5-осевого станка с наклонной фрезерной головкой (DMU 80p)
Рис. 4. Высокоскоростной фрезерный станок семейства «Speeder» компании «Jobs» для применения
в аэрокосмической промышленности
Для разработки и внедрения новой технологии механической обработки литейной оснастки (кристаллизаторов и поддонов) для компании «РУСАЛ» по инновационной HSM-технологии планируется модернизация продольно-фрезерного станка 6М610Ф11-23 [2]. В этом случае, в отличие от обычных высокоскоростных продольно-фрезерных станков, движение по оси X будет реализовано за счет перемещения стола с заготовкой, что ограничивает скорость движения (подачи) по этой оси ввиду больших инерционных сил, обусловленных большой переменной массой стола с заготовкой. Особенностью привода по оси X является также применение передачи «рейка-двойной червяк» на гидростатических опорах и выбор зазора в передаче за счет гидравлического смещения двух червяков относительно друг друга. Применение гидростатики в опорах и самом приво-
де оси X несколько снижает рабочие скорости (больший коэффициент трения покоя и движения), но при этом увеличивает общую жесткость по сравнению с направляющими качения в сочетании с винт-гайкой качения в самом приводе. Применение во всех приводах (X, У, 2) понижающих двухступенчатых редукторов при наличии боковых зазоров несколько снижает общую угловую точность позиционирования.
Для реализации высокоэффективной пятиосевой высокоскоростной обработки предлагается дополнительно оснастить модернизированный станок специально разработанной трехосевой шпиндельной головкой (круговые оси - А, С, и линейная -М с высокоскоростным мотор-шпинделем [3]. С целью увеличения рабочей зоны по оси 2 трехосевая шпиндельная головка устанавливается в гнездо, где ранее крепилась лобовая шпиндельная насадка. В
конструкции головки (рис. 5) использованы инновационные решения для машиностроения, а именно: круговые оси A и C реализованы с помощью кольцевых двигателей, линейная ось W - с помощью линейного модуля перемещения производства «Bosch Rexroth» (Германия). Это позволило отказаться от использования зубчатых передач при вращении и передачи винт-гайка при линейном перемещении, что значительно упростило конструкцию и в сочетании со скоростным мотор-шпинделем подняло точность и качество обработки.
Наличие дополнительной вторичной линейной оси W в шпиндельной головке позволяет расширить технологические возможности 5-осевой обработки, особенно при высокоскоростной обработке пространственных отверстий. Принципиально обработку пространственных отверстий при пя-тиосевой обработке (оси А и С реализованы в шпиндельной головке) можно получить за счет приращений по линейным осям (X, Y, Z), а за счет круговых осей A и C ось инструмента совмещается в пространстве с осью отверстия [4]. Однако при высокоскоростной обработке пространственных отверстий величина приращения вос-
принимается как радиальное биение инструмента, которое снижает точность и качество отверстия, а при обработке малых диаметров часто приводит к поломке инструмента.
Исходя из проектов научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок компании «РУСАЛ», направленных на решение задачи импортозамещения при изготовлении литейной оснастки для производства слитков из алюминиевых сплавов, предлагается создать специализированное оборудование на базе модернизированного продольно-фрезерного станка 6М610Ф11-23. Этот станок дополнительно оснащается трехосевой шпиндельной головкой для механической обработки кристаллизаторов и поддонов по высокоэффективной HSM-технологии [5]. В данном случае разработка конструкторской документации, создание 3D-моделей и технологических сборок на их основе, а также анимация процесса работы ведется в SolidWorks. Разработка технологии по 3D-моделям и создание управляющих программ ведется с использованием системы БршЮАМ с последующей сетевой передачей на станок.
Рис. 5. Трехосевая шпиндельная головка с высокоскоростным мотор-шпинделем для 5-осевого пространственного сверления
Механическую обработку поддонов и кристаллизаторов планируется вести за две установки. При первой установке обрабатываются базовые поверхности, на которые закрепляется заготовка для осуществления второго этапа. Основной этап производится по пятиосевой непрерывной технологии, при этом происходит полное формообразование детали и сверление всех отверстий без переустановки. Наличие в шпиндельной головке линейного привода (ось М который в процессе фрезерования неподвижен, значительно расширяет технологические возможности. Это позволяет при высокоскоростной обработке отверстий размерным инструментом использовать только линейный привод для осевой подачи, следовательно, сверление происходит при более стабильных условиях. Так как литейная оснастка (кристаллизаторы) име-
Библиогра
1. Ведмидь П. 5-осевая обработка для инструментальщиков // САПР и графика. 2003. № 1. С. 6-10.
2. Емельянов С.А. Модернизация станков с ЧПУ // Современные технологии автоматизации. 2001. № 3. С. 36-43.
3. Сергеева Е.В. Высокоскоростная обработка ИБС (Highspeedcutting). Современное состояние вопроса [Электронный ресурс]. 1^1.: http://www.sergeev-|18С.с1е/тес11а//0!Р_65814/с219с0Ь38Г472еША824аАА fff0.pdf (26.11.2014).
ет большие габаритные размеры (2500*650*350 мм) и значительное число (до 300) сравнительно малых пространственных отверстий (диаметром 2,5 мм на глубину 57 мм), то применение шпиндельной головки с дополнительной осью М значительно повышает надежность технологического процесса.
Следует отметить, что в настоящее время данная схема обработки является принципиально новой и в базе данных системы БршЮАМ для ее реализации и разработки управляющих программ нет соответствующего оборудования. Поэтому для практического применения предлагаемой технологии систему БршЮАМ следует адаптировать под появившиеся новые технические возможности металлорежущего оборудования.
Статья поступила 08.04.2015 г.
ий список
4. Пономарёв Б.Б., Нгуен Ван Нам. Алгоритм оптимизации вспомогательных перемещений инструментов при фрезеровании сложных поверхностей // Вестник ИрГТУ. 2013. № 1 (72). С. 33-37.
5. Майзель И.Г., Платонов В.В., Глушкин Е.Я. Модернизация продольно-фрезерного станка 6М610Ф11-23 для современной технологии изготовления крупногабаритной литейной оснастки // Вестник ИрГТУ. 2015. № 4 (99). С. 27-32.
