Centre de strunjire și frezare CNC: ce sunt și cum să alegi unul

Ce este de fapt un centru de strunjire și frezare CNC

Un centru de strunjire și frezare CNC - numit și centru de strunjire-frezare, mașină multitasking sau strung CNC cu scule active - este o mașină-uneltă care efectuează atât operațiuni de strunjire rotativă, cât și operațiuni de frezare, găurire și filetare rotativă într-o singură configurație, fără a scoate piesa de prelucrat din ax. Prelucrarea convențională separă aceste operațiuni în strunguri și centre de prelucrare dedicate, necesitând operatorului să transfere manual piesa între mașini, să o reinstaleze și să o redateze pentru fiecare operație succesivă. Fiecare transfer introduce eroare de poziție care se acumulează prin secvența de prelucrare, necesitând toleranțe generoase sau inspecție post-proces pentru a gestiona. Un centru de strunjire și frezare elimină toate aceste configurații intermediare prin finalizarea întregii secvențe de prelucrare - sau marea majoritate a acesteia - într-o singură prindere.

Mașina integrează un ax de strung CNC cu o axă C (capacitate de indexare rotativă în jurul axei axului) sau control complet al conturării, combinat cu o turelă de scule condusă sau un ax de frezare secundar care ține și rotește sculele de tăiere independent de axul principal al piesei de prelucrat. Această capacitate de scule acționate este ceea ce distinge un centru de strunjire și frezare de un strung CNC standard - uneltele în sine se pot roti, permițând găurirea decentrată, găurirea transversală, frezarea plată, tăierea fantelor și frezarea filetului pe caracteristici prismatice cilindrice sau complexe fără a repoziționa piesa. Centrele de strunjire-frezare de înaltă calitate adaugă deplasarea axei Y perpendiculare atât pe axele X, cât și pe axele Z, permițând operațiuni de frezare complet compensate pe caracteristici care nu se află pe linia centrală a piesei - o capacitate necesară pentru prelucrarea alezajelor excentrice, fantelor de cheie, plate și caracteristicilor cu unghi compus care altfel ar fi imposibil de finalizat pe o mașină de tip strung.

Cazul de afaceri pentru Centre de strunjire si frezare CNC este convingător pentru orice magazin care produce piese rotative complexe în volum mediu spre mare. Eliminarea transferurilor între mașini reduce timpul total al ciclului, reduce stocul de lucru în proces, elimină nevoia de stații intermediare de măsurare și permite unui singur operator de mașină să supravegheze producția completă a unei piese. În mediile cu amestec ridicat, în care timpul de configurare reprezintă o parte semnificativă a costului total pe piesă, reducerea de la trei sau patru setări de mașini la una produce câștiguri de productivitate imediate și măsurabile.

Configurații de bază ale mașinii: Cum sunt construite centrele de frezat-turn

Centrele de strunjire și frezare CNC nu sunt un singur tip de mașină, ci o familie de configurații, fiecare optimizată pentru un echilibru diferit de complexitate, dimensiunea piesei de prelucrat, volumul de producție și buget. Înțelegerea modului în care aceste configurații diferă este esențială pentru a specifica mașina potrivită pentru o anumită cerință de producție - o mașină care este supradimensionată pentru lucru generează costuri de capital inutile și complexitate, în timp ce o mașină subspecificată forțează compromisuri care înfrâng scopul prelucrării cu sarcini multiple.

Strung CNC cu scule live și axa C

Configurația de bază pentru prelucrarea prin strunjire-frezare este un strung CNC cu o turelă de scule antrenată și poziționarea axului C. Turelea deține un amestec de scule statice de strunjire și capete de frezat/găurit antrenate de un motor intern în corpul turelei. Axul principal se indexează în orice poziție unghiulară sub controlul CNC al axei C, permițând sculelor antrenate să efectueze găurire, frezare și filetare axială și radială în orice poziție cronometrată în jurul circumferinței piesei. Această configurație acoperă majoritatea aplicațiilor strunjire-frezare pentru componentele de arbore și flanșă alimentate cu bare: găuri încrucișate, porturi filetate axiale, caracteristici de antrenare hexagonale sau pătrate și plăci simple. Limitarea este absența unei axe Y - toate operațiunile de frezare trebuie efectuate la linia centrală a piesei sau în poziții realizabile prin rotația axei C combinată cu poziționarea sculei pe axa X, ceea ce restricționează caracteristicile decentrate la cele care pot fi produse prin interpolare elicoidală în planul C-X.

Centru de strunjire-freză cu axa Y și ax de frezare

Adăugarea unei axe Y adevărate - de obicei ±50 până la ±100 mm de deplasare perpendiculară pe planul X-Z - la o mașină cu turelă cu unealtă antrenată permite frezarea decentrată, găurirea excentrică, tăierea canelurii și orice caracteristică care nu se află pe axa de rotație a piesei. Axa Y este capacitatea care distinge un adevărat centru de strunjire și frezare de un strung cu capacitate de frezare accidentală. Mașinile din această categorie includ, de obicei, un sub-ax secundar care preia piesa după prelucrarea frontală și prezintă fața din spate pentru prelucrare simultană sau secvențială - permițând prelucrarea completă OP10/OP20 într-un singur ciclu de mașină. Această configurație sub-ax este standard pentru producția de volum mare de componente de arbore și cuplare, unde ambele capete necesită prelucrare.

Centre de strunjire-frezare CNC de tip elvețian

Centrele de strunjire și frezare de tip elvețian utilizează un aranjament al capului glisant și al bucșei de ghidare în care piesa de prelucrat este susținută foarte aproape de zona de tăiere printr-o bucșă de ghidare fixă, materialul trecând axial prin bucșă pe măsură ce este prelucrat. Acest aranjament de susținere elimină practic deformarea piesei de prelucrat în timpul tăierii, permițând strunjirea precisă a pieselor foarte subțiri - de obicei bare cu diametrul de 1 mm până la 38 mm - la un raport lungime/diametru de 20:1 sau mai mare, care ar provoca deformarea și zvâcnirea la un strung convențional. Centrele de strunjire-frezare de tip elvețian combină această capacitate de strunjire de precizie cu mai multe stații de scule acționate pentru frezare, găurire și prelucrare în spate, făcându-le tipul de mașină standard pentru producția de volum mare de componente mici de precizie: șuruburi și implanturi medicale, componente de ceas, instrumente dentare, corpuri de supape hidraulice și pini conectori electronici.

Centre de strunjire orizontale și verticale cu frezare integrată

Pentru piesele de prelucrat mari - arbori grei, flanșe mari, componente ale turbinei și piese de energie eoliană - se folosesc centre de strunjire orizontale cu axuri de frezat integrate pe axa B. Axa B permite axului de frezare să se încline la orice unghi în planul vertical, permițând prelucrarea simultană pe 5 axe a suprafețelor complexe, ale alezajelor unghiulare și caracteristicilor compuse pe componente mari și grele care ar fi imposibil de repoziționat în siguranță între operații. Centrele de strunjire verticale (VTC) cu capacitate de frezare integrată se ocupă de componentele discurilor și inelelor de diametru mare - discuri de frână, semifabricate, rotoare de pompe - folosind o orientare verticală a arborelui care permite gravitației să ajute prinderea piesei de prelucrat și simplifică încărcarea pieselor mari cu o macara sau un robot.

Specificații cheie de evaluat atunci când alegeți un centru de strunjire și frezare

Compararea centrelor de strunjire și frezare CNC de la producători necesită evaluarea unui set cuprinzător de specificații care definesc împreună capacitatea mașinii pentru o anumită familie de piese de prelucrat. Concentrarea pe specificațiile principale, cum ar fi viteza axului, trecând cu vederea parametrii la fel de importanți, cum ar fi timpul indexului turelei, deplasarea axei Y și capacitatea barei, produce decizii de cumpărare proaste care limitează capacitatea de producție pe întreaga durată de viață a mașinii.

Specificațiile de putere și viteză a sculei antrenate merită o atenție deosebită deoarece sunt adesea subestimate în specificațiile mașinii în raport cu axul principal. Un centru de strunjire cu un ax principal de 22 kW, dar cu motoare de scule acționate de numai 3,7 kW, va produce rezultate excelente de strunjire, dar va fi constrâns la tăieturi ușoare de frezare și găurire cu diametru mic - incapabil să profite de freze și burghie moderne din carbură solidă la parametrii de tăiere recomandați. Pentru magazinele în care operațiunile de frezare reprezintă o parte semnificativă din timpul ciclului programat, puterea sculei antrenate trebuie evaluată în raport cu operațiunile specifice de frezare planificate, nu doar comparată cu specificațiile mașinii concurente.

Piesele cele mai potrivite pentru prelucrarea cu freza cu strunjire și de ce

Nu fiecare piesă beneficiază în mod egal de prelucrarea prin strunjire-frezare. Cele mai mari avantaje se datorează pieselor care au caracter în principal rotativ - diametre exterioare strunjite, caracteristici interne alezate, suprafețe filetate - dar au și caracteristici prismatice secundare care ar necesita în mod normal o a doua setare a mașinii pe un centru de prelucrare vertical sau orizontal. Identificarea dacă o familie de piese se potrivește acestui profil este primul pas în construirea unui caz de afaceri pentru investiția în strunjire.

Arbore cu caracteristici încrucișate

Arborele de antrenare, arborii pompei și arborii arborelui care necesită diametre strunjite, filete și jumpoane de șlefuire combinate cu găuri perforate încrucișat, plăci transversale, fante pentru cheie sau caneluri Woodruff sunt candidații ideali pentru freza de strunjire. La un strung convențional, secvența de strunjire este finalizată mai întâi, apoi arborele este transferat la o mașină de frezat sau o presă de găurit pentru caracteristicile secundare - un proces care implică mai multe dispozitive de fixare, potențial de schimbare a originii și timp semnificativ de manipulare. Pe un centru de strunjire și frezare, toate caracteristicile sunt completate într-o singură prindere cu o singură referință de referință, producând o precizie de poziție mai bună între caracteristicile de strunjire și frezare și eliminând timpul de transfer între mașini.

Componente cu flanșe și cu racorduri

Distribuitoarele hidraulice, corpurile supapelor, carcasele pompei și conectorii cu flanșe combină alezajele turnate și diametrele exterioare cu modele de găuri pentru șuruburi, pasaje cu porturi și caneluri de etanșare care sunt distribuite în jurul circumferinței piesei. Indexarea pe axa C a unui centru de strunjire-frezare poziționează aceste caracteristici distribuite cu precizie prin rotirea axului principal la poziția unghiulară necesară înainte de fiecare operațiune a sculei antrenate - eliminând masa rotativă sau indexorul care ar fi necesar pentru a obține aceeași poziționare pe un centru de prelucrare. Rezultatul este un ciclu mai rapid, o precizie mai bună a poziției unghiulare și mai puține dispozitive în fluxul de lucru.

Componente de precizie medicale și aerospațiale

Șuruburile osoase, implanturile dentare, componentele instrumentelor chirurgicale și elementele de fixare și fitinguri aerospațiale sunt produse în volume mari din materiale dificile - aliaje de titan, crom-cobalt, Inconel și oțel inoxidabil - cu toleranțe strânse atât pentru elementele strunjite, cât și cele frezate. În aceste sectoare, costul deșeurilor, reprelucrării și eșecului inspecției este disproporționat de mare în raport cu costurile materiilor prime și al sculelor de tăiere. Reducerea numărului de setări reduce în mod direct numărul de oportunități de eroare de poziționare, deteriorări de manipulare și schimbarea datei de referință - făcând prelucrarea strunjită-frezare nu doar o îmbunătățire a productivității, ci o îmbunătățire a calității și a trasabilității, care este adesea impusă de standardele de calitate ale lanțului de aprovizionare ale OEM-urilor din domeniul aerospațial și medical.

Sisteme de control CNC și programare pentru mașini de strunjire-freză

Programarea unui centru de strunjire și frezare CNC este mai complexă decât programarea unui strung de sine stătător sau a unui centru de prelucrare, deoarece programul trebuie să coordoneze mai multe axe independente - axa C a arborelui principal, axul sculei antrenate, axele liniare X/Y/Z și subaxul dacă există - în secvențe care se pot suprapune pentru o eficiență maximă a ciclului. Controlerele CNC moderne de la Fanuc, Siemens, Mazak (Mazatrol) și Okuma (OSP) oferă medii de programare specifice strunjirii, care gestionează această complexitate, dar programatorul trebuie să înțeleagă configurația specifică a axei mașinii și capabilitățile de operare simultană pentru a scrie programe care realizează întregul potențial al mașinii.

Operații de strunjire și frezare simultane

Centrele avansate de strunjire-frezare cu turnulețe duble sau o configurație de turelă plus ax de frezat pot efectua strunjirea și frezarea simultan - o unealtă taie o suprafață strungită, în timp ce o a doua unealtă freza o caracteristică transversală într-o locație diferită a aceleiași piese simultan. Programarea acestor operațiuni care se suprapun necesită controler să gestioneze potențialele interferențe dintre scule și suporturile de scule din zona de lucru comună, pe care controalele moderne le abordează prin monitorizarea în timp real a evitării coliziunilor folosind un model de mașină 3D. Când sunt programate corect, operațiunile simultane pot reduce timpul ciclului pentru piese complexe cu 30-50% în comparație cu operațiunile secvențiale pe aceeași mașină.

Software CAM pentru programare Turn-Mill

În timp ce programarea conversațională pe controlul mașinii este practică pentru piese simple de strunjire-frezare cu un număr mic de operațiuni cu scule antrenate, piesele complexe cu multe caracteristici de frezare, unghiuri compuse sau cerințe de conturare pe 5 axe sunt cel mai bine programate folosind software-ul CAM dedicat cu post-procesoare de frezare strunjire. Pachetele software care includ Mastercam Mill-Turn, Siemens NX CAM, Hypermill și SolidCAM iMachining oferă strategii specifice pentru traseul sculei, medii de simulare a mașinii pentru verificarea coliziunilor înainte ca programul să ruleze pe mașină și post-procesoare configurabile care scot codul potrivit controlului specific și configurației mașinii. Investiția în scule CAM adecvate pentru programarea strunjirii și frezei se compensează rapid în cazul pieselor complexe în care erorile de programare manuală provoacă deșeuri sau necesită timp extins de testare pe mașină.

Scule, instalarea turnuleței și fixarea lucrărilor pentru operațiuni de strunjire-freză

Sistemul de scule de pe un centru de strunjire și frezare trebuie să găzduiască atât scule de strunjire statice, cât și scule rotative antrenate în aceeași turelă, cu o capacitate de schimbare rapidă și repetabilă a sculei și o rigiditate suficientă pentru a suporta atât forțele de tăiere de strunjire, cât și de frezare. Standardul de interfață pentru unelte antrenate – VDI sau BMT (Base Mount Tooling) în diferite dimensiuni – determină ce suporturi de scule acționate sunt compatibile cu turelă și care sunt capacitățile maxime de cuplu și viteză ale sculei antrenate prin trenul mecanic de antrenare al turelei.

Turelele BMT (Block-type Mounting Turret) folosesc o suprafață de montare mai mare decât turelele VDI, oferind o rigiditate mai mare pentru operațiunile de frezare - un avantaj semnificativ atunci când frezarea adâncă a buzunarului sau tăierea grea a fantelor cu freze cu diametru mare fac parte din programul de lucru. Turelele VDI sunt standardizate pe scară largă și oferă o gamă mai largă de modele de suporturi de scule compatibile de la mai mulți producători, dar au limite mai mici de rigiditate pentru aplicațiile grele de frezare. Pentru magazinele care efectuează o primă investiție de strunjire-frezare, compatibilitatea sistemului de suport de scule cu stocurile de scule de strunjire existente și disponibilitatea opțiunilor de suport de scule acționate pentru operațiunile de frezare planificate trebuie verificate înainte de a selecta un model de mașină.

Strategii de reținere a lucrărilor pentru prelucrarea cu freza cu strunjire

Menținerea lucrării pe un centru de strunjire-frezare urmează aceleași principii ca și prinderea de lucru pe strung - piesa de prelucrat trebuie strânsă în siguranță atât împotriva forțelor de strunjire (radiale) cât și a forțelor de frezare (axiale și radiale, adesea cu o componentă axială semnificativă de la frezele) simultan. Mandrinele standard cu 3 și 6 fălci asigură o prindere sigură pentru majoritatea lucrărilor alimentate cu bară și cu mandrina, dar configurația fălcilor și cursa fălcilor trebuie să se adapteze oricăror caracteristici nerotunde sau diametre de mandrina care rezultă din geometria piesei. Pentru piesele în care forțele de frezare sunt deosebit de mari — fante mari pentru chei, frezare grea pe față — suportul suplimentar sau suportul de repaus stabil reduc deformarea și vibrațiile. Alimentarea barelor printr-un alimentator de bare conectat la axul mașinii este configurația standard de producție pentru componentele cu bare de volum mare, permițând stingerea luminii sau funcționarea minimă cu încărcare automată a barei.

Evaluarea rentabilității investiției unui centru de strunjire și frezare CNC

Un centru de strunjire și frezare CNC are un cost de capital mai mare decât un strung CNC de sine stătător cu o capacitate de strunjire echivalentă - de obicei cu 1,5–3 ori mai mare, în funcție de configurație, capacitatea axei Y, sub-ax și marcă. Justificarea acestei prime necesită o analiză disciplinată a rentabilității investiției care să țină seama de toate efectele asupra productivității, calității și costurilor generale ale consolidării mai multor operațiuni pe o singură mașină.

• Reducerea timpului de configurare: Calculați timpul total de configurare curent pentru toate mașinile pentru o piesă reprezentativă - inclusiv configurarea mașinii, configurarea suportului de lucru, configurarea sculelor și inspecția primului articol. Comparați acest lucru cu timpul de configurare unic de pe centrul de turnare-frezare. Pentru piesele complexe care necesită 3–4 setări, pot fi realizate reduceri de 60–75% a timpului total de configurare, reducând direct costul pe piesă pentru rulările de volum mic până la mediu.
• Economii de timp de ciclu: Cuantificați timpul fără tăiere petrecut în prezent cu piesele în mișcare între mașini, încărcarea și descărcarea fiecărei mașini și așteptarea la coadă între operații. Acest timp de interoperare este adesea de 2–5 ori mai mare decât timpul real de tăiere pentru piesele complexe într-un mediu de atelier aglomerat și dispare aproape în întregime odată cu consolidarea strunjirii.
• Reducerea spațiului de pardoseală și a numărului de mașini: Un singur centru de frezat de strunjire care înlocuiește două sau trei mașini eliberează spațiu semnificativ, reduce numărul de mașini-unelte care necesită contracte de întreținere și stoc de piese de schimb și reduce numărul de operatori de mașini necesari pe schimb.
• Îmbunătățirea calității și a costurilor la deșeuri: Mai puține date și setări înseamnă mai puține oportunități de stivuire a toleranței. Cuantificați rata actuală de deșeuri atribuită deplasării datelor între operațiuni și aplicați îmbunătățirea așteptată - de obicei o reducere de 30-60% a refuzurilor legate de schimbarea datelor - modelului ROI.
• Reducerea stocului de lucru în proces: Piesele care așteaptă să fie mutate între mașini reprezintă capitalul blocat în inventarul WIP. Eliminarea cozilor între mașini reduce WIP, îmbunătățește fluxul de numerar și scurtează termenele de livrare cotate - un avantaj competitiv în mediile de prelucrare prin contract și ateliere de lucru cu amestec ridicat.

Perioadele de rambursare de 18-36 de luni sunt tipice pentru investițiile de strunjire bine adaptate în ateliere de lucru și operațiuni de prelucrare prin contract cu o proporție substanțială de piese rotative complexe. Pentru celulele de producție dedicate care rulează familii cu volum mare de piese complexe cu secvențe demonstrate de configurare multiplă, amortizarea poate fi mai scurtă. Cele mai puternice cazuri de rentabilitate a investiției combină o familie clară de piese cu un proces curent documentat cu mai multe configurații, rate mari de deșeuri atribuite deplasării originii și o bază de clienți care recompensează reducerea timpului de livrare cu un volum de comenzi crescut - toate acestea pe care un centru de strunjire și frezare CNC specificat corespunzător le poate aborda direct.