Токарный станок – изобретение, с помощю которого можно изготовить детали из различных материалов. Это изобретение прошедшло с человечеством сквозь века. Прообразы этого оборудования можно найти в разных частях планеты, относящихся к разным эпохам. В прошлом веке токарные станки получили наибольшее развитие в связи с бурным ростом промышленности. Модельный ряд расширился до небывалых размеров – автоматные, многошпиндельные, отрезные, карусельные, винторезные и другие образцы стали заполнять цеха и производства.
Как и любая технология, токарные станки имеют границу развития, за пределами которой невозможно придумать нечто новое, инновационное и принципиально отличное. Ответ на вопрос «почему?» в такой ситуации прост – основными характеристиками устройств являются производительность, компактность и точность. Для изобретения чего-то нового нужно ухудшать один из этих фундаментальных факторов в угоду других, а это противоречит самой сути токарного дела.
Поэтому инженерная мысль предлагает альтернативу – создание гибридов и роботизация процесса. Основные прорывы и новшества остались в прошлом, уже было придумано всё, что можно было придумать. Теперь задача стоит иная – комбинировать решения для улучшения конечного результата.
В основе изобретений сегодняшнего дня лежат три основных принципа: закон согласования ритмики (подсистемы станка, такие как кинематико-энергетическая или пространственно-временная, должны согласовываться между собой, работая как единый организм), закон повышения идеальности системы (постоянные увеличение возможностей, уменьшение размеров и совершенствование имеющихся идей) и закон неравномерности развития (что-то модернизируется, а что-то остается неизменным, и это нужно постоянно учитывать). Все эти принципы подчеркивают, что токарный станок – это комплекс решений и инноваций, и любое изменение тянет за собой необходимость обновления множества сопредельных деталей.
Чем же так хороши современные токарные системы? Это уже не просто станки – это сложные конструкции, управление которыми иногда доверяется роботам. Главное преимущество – универсальность. Устройство может обрабатывать изделие по 4-8 осям одновременно, причем делать это разными инструментами. Автоматизацию процесса также можно отнести к положительным сторонам – максимально исключается человеческий фактор и риск ошибки сводится к минимуму. Благодаря столь точному расчету происходит энергосбережение процесса в пересчете на деталь.
Чтобы повысить наглядность, давайте возьмем примеры токарных систем и устройств, подробно разберем направление их развития, а также проанализируем, какие из современных тенденций эволюции токарного дела они смогли вобрать в себя.
Начнем с системного подхода. Для примера возьмем один из самых узнаваемых брендов – немецкий «EMAG». Отличительной особенностью подобных машин является системных подход к решению производственных задач – подготовительный этап (наладка, программирование), мониторинг, управление, обслуживание и сопровождение. Иначе говоря, ценность системы в ее мультизадачности. «EMAG» прежде всего развивают модульные и многофункциональные станки, многошпиндельные станки, а также станки для производства крупных деталей серии modular.
Почему бренд столь популярен и узнаваем? Конечно за счет своих инноваций и решений. К ним относятся:
- вертикальная обработка деталей, способствующая упрощению работы;
- многоцелевая обработка, состоящая из токарной обработки, шлифования, сечения, фрезерования, лазерной обработки и точения;
- автоматический шпиндель системы «Pick-Up», ответственный за погрузку и выгрузку деталей без участия человека;
- объединение в одном корпусе нескольких процессов – погрузка и выгрузка заготовок, а также непосредственная обработка и измерение;
- «бреющий» принцип токарной обработки (с минимальным припуском), позволяющий увеличить качество конечной продукции и гладкость поверхности;
- адаптивность под конкретные технологические условия и задачи.
Такой набор новшеств и технологий в одном корпусе позволяет, например, обрабатывать заготовку с двух сторон по четырем осям одновременно, что значительно сокращает сроки изготовления и ускоряет процесс (данные справедливы для модели VTC 200-4). Не стоит забывать и о модульности – вы можете собрать систему на манер конструктора, чтобы решить определенные задачи в рамках конкретного производства. Так вы повысите производительность за счет одновременной работы нескольких подсистем.
Токарные автоматы – самые старые представители этих систем. Первые токарные автоматы, работавшие еще на кулачковых механизмах, были разработаны около 100 лет назад в США и Швейцарии для производства автомобилей и часовых механизмов соответственно. Необходимость возникла вследствие изготовления большого числа однотипных частей и узлов, и для экономии времени и средств были изобретены токарные автоматы. В их задачи входили увеличение производительности труда, удобство в использовании и возможность одновременной обработки двух изделий на двух шпинделях для уменьшения цикла производства.
Сейчас автоматы эволюционировали, и они мало чем похожи на своих предков. Современные системы работают с помощью цифрового управления, и в их состав входит куда больше механизмов и деталей, чем это было раньше. Несмотря на это, основные задачи не изменились за несколько десятков лет – они всё еще призваны сокращать время обработки заготовок и увеличивать скорость производства.
На сегодняшний день основными токарными автоматами являются автоматы продольного точения. По принципу кинематики они разделены на два подвида – с неподвижной передней бабкой (шпинделем) и подвижной передней бабкой. Первый подвид – это классический представитель токарных автоматов, предназначенный для обработки коротких деталей с большим диаметром. Второй подвид более совершенный. Он был разработан в Швейцарии и носит характерное название «Swiss type» или «Швейцарский тип». Он подходит для обработки тонких и длинных деталей – это возможно за счет препятствования загибанию заготовки. Вся нагрузка от резца приходится на точку крепления обрабатываемого изделия в направляющей втулке.
Практически все модели станков-автоматов оснащены противошпинделем – так называют шпиндель, установленный напротив основного и работающий в противоход. Такое новшество позволяет обработать деталь на одном станке без проведения дополнительных манипуляций. Преимущество современных устройств, оснащенных ЧПУ, в том, что они могут руководить одновременно двумя шпинделями, синхронизируя их работу для достижения оптимального результата.
Технология «MultiSwiss», набирающая популярность в последнее время, подразумевает использование токарного автомата с 8 шпинделями, 2 противошпинделями и салазками, движущимися в трех плоскостях. Это позволяет увеличить производительность и совместить сразу несколько процессов (станок, подача, удаление стружки).
Токарные станки с центральным приводом являются основным изделием таких компаний как «WMZ» (Германия), «FastCut» (Тайвань) и других. Обработка идет по обеим сторонам от заготовки, зажатой посередине. В таких станках шпиндель расположен в центре, то есть деталь находится внутри него, что позволяет вести одновременную обработку с двух сторон. Револьверные головки устанавливают для повышения производительности в несколько раз, а в список возможностей входят точение, нарезка резьбы, сверление и многое другое. Однако, стоит оговориться, что расположение шпинделя по центру накладывает ряд ограничений, например, придется дополнительно исследовать заготовку на наличие дефектов, иначе зажим будет выполнен с перекосом, что приведет к некорректной работе. Кроме того, шпиндель проектируется под конкретный диаметр детали, поэтому нельзя брать что-то больше или меньше проектного значения. Это касается и длины заготовки. Несмотря на эти условия, токарные станки с центральным приводом показывают впечатляющие результаты по производительности, обставляя конкурентов.
Токарно-фрезерные станки, в состав которых входят фрезерные головки и противошпиндели, занимают определенную производственную нишу. По сути, это совмещение двух устройств в одном корпусе. Объединение происходит посредством установки дополнительного оборудования. Эти станки остаются весьма нишевыми изделиями.
А вот токарные станки для полигонального точения – это более популярное решение. Они предназначаются для вытачивания многогранников, причем делается это со снижением стоимости процесса и уменьшением занимаемого места. По своей сути, полигональное точение – это процесс обработки заготовки, установленной на вращающихся деталях. Синхронизация движения и угловых скоростей происходит за счет цифровых технологий, встроенных в аппарат.
Некоторые производители научились изготавливать специальный инструмент для полигонального точения в виде дисковой фрезы с одним или несколькими режущими элементами, расположенными под определенным углом друг к другу. Количество сторон многогранника зависит не только от состава, размера и формы фрезы, но и от соотношения частоты ее вращения и количества ее зубьев. Используется же полигональное точение в основном для производства крепежа (квадратных и шестигранных головок болтов или гаек). Время обработки значительно снижается по сравнению с традиционными методами, особенно если речь заходит о возможности перемещения в двух плоскостях – тогда точение становится еще и более комплексным, и станок способен производить геометрически сложные профили.
Отдельная каста токарных станков – станки для обработки торцов валов и труб. Благодаря множеству опций и дополнительного оборудования, у оператора появляется возможность производить сложные манипуляции на простых агрегатах. Например, вытачивание коленвалов, труб и валов со сложной геометрией. Всё это производится на повышенных скоростях и при полном автоматизме в момент погрузки и выгрузки, что выгодно отличает такого рода станки от прочих.
Далеко не всегда обработке подвергаются мелкогабаритные изделия. Иногда приходится вытачивать и отшлифовывать поистине гигантские заготовки. Для таких случаев существуют специальные крупногабаритные решения. Для примера можно взять токарный станок марки «SNK» из Японии - он предназначен для обработки деталей массой до 400 тонн. Этот показатель сопоставим с весом гражданского самолета. Образцы меньшего размера имеются в распоряжении итальянцев («Giana»), поляков («Fat»), корейцев («Hwacheon»), тайцев («Honor») и ряда других стран. Такие монстры используются для производства поистине огромных элементов, на обточку которых традиционными средствами ушли бы месяцы.
Последнее, о чем хотелось бы рассказать – инновации. Японские станкостроители, будучи передовиками в робототехнике, предлагают рынку интеллектуальные технологии. Это сложный набор датчиков, устройств, и компонентов, призванных не только улучшить качество продукции за счет более внимательного контроля на всех стадиях, но и исключить фактор человеческой ошибки из цикла. Особенно это актуально для высокоточных механизмов, где интеллектуальные системы выдают лучшие показатели. Датчики, установленные на всех компонентах подобных станков, собирают и анализируют данные о состоянии агрегата, сигнализируя о неисправности, перегреве или необходимости замены любого механизма. Таким образом в разы снижается риск выхода станка из строя, что уменьшает затраты на ремонт и доналадку всей системы. Лидерами в этой отрасли являются компании «DMG MORI», «Okuma» и «Mazak». За этими технологиями будущее.
Подводя итог всему вышесказанному, можно с уверенностью сказать, что тенденции современных токарных устройств нацелены на автоматизацию и многофункциональность процессов и устройств. Уменьшение размеров, широкий список опций, роботизация, модульность и мультизадачность – вот основные векторы развития индустрии. Именно эти факторы ставятся сейчас во главу угла и станут двигателем реформ и инноваций сегодня и в ближайшем будущем.
