ΤΟΥ ΓΙΩΡΓΟΥ ΜΑΛΙΩΤΗ
Οι εργαλειομηχανές διακρίνονται σε δύο βασικές κατηγορίες. Στην πρώτη υπάγονται αυτές που κατεργάζονται ελάσματα, ενώ στη δεύτερη αυτές που διαμορφώνουν τεμάχια. Σε αυτή την κατηγορία κατατάσσονται οι τόρνοι, οι φρέζες και οι πλάνες. Οι εργαλειομηχανές αυτές είναι πολύ σημαντικές για τη βιομηχανία και τις κατασκευές γιατί κατορθώνουν να δώσουν μια επιθυμητή μορφή σε μια ακανόνιστη και ακατέργαστη μάζα μετάλλου. Οι τόρνοι και φρέζες μάλιστα έχουν συμπεριλάβει στη λειτουργία τους όλες τις «πλούσιες» δυνατότητες που έδωσε στις εργαλειομηχανές η εξέλιξη του αριθμητικού ελέγχου και των συστημάτων CNC.
Τόρνοι
Ο τόρνος είναι μία από τις παλαιότερες, γνωστότερες και με ευρύτατη χρήση εργαλειομηχανές. Αποτελεί εργαλειομηχανή κοπής με απλή σημειακή επαφή. Το προς κατεργασία τεμάχιο προσδένεται στο σφικτήρα τεμαχίων (τσοκ), ο οποίος περιστρέφεται μέσω του μηχανισμού κίνησης της κεφαλής του τόρνου. Το εργαλείο τοποθετείται στον εργαλειοδέτη που έχει τη δυνατότητα να ρυθμίζει τις θέσεις του εργαλείου σε σχέση με το κατεργάσιμο αντικείμενο. Η πρόωση του κοπτικού εργαλείου επιτυγχάνεται με την ολίσθηση του εργαλειοφορείου, όπου είναι τοποθετημένος ο εργαλειοδέτης, στο τραπέζι του τόρνου . Σπουδαίο ρόλο παίζει η στιβαρότητα του όλου συστήματος, ώστε να παραλαμβάνονται οι αναγκαίες δυνάμεις κοπής και να εξασφαλίζεται η χωρίς δονήσεις λειτουργία.
Πρέπει να τονιστεί ότι η γεωμετρία του κοπτικού εργαλείου έχει ουσιώδη σημασία για την κοπή. Το κοπτικό εργαλείο χαρακτηρίζεται από ορισμένα χαρακτηριστικά γεωμετρικά μεγέθη. Σε ένα κοπτικό εργαλείο μπορεί να διακρίνει κανείς δύο κοπτικές πλευρές την κύρια και τη δευτερεύουσα. Οι τρεις κυριότερες γωνίες του κοπτικού εργαλείου είναι:
1. Η γωνία ελευθερίας (α), που επιτρέπει τη μείωση της τριβής μεταξύ του κατεργάσιμου τεμαχίου και του εργαλείου στις περιοχές του εργαλείου που πρόσκεινται στις δύο κόψεις του. Στην πράξη η γωνία ελευθερίας κυμαίνεται μεταξύ 5 και 15 μοιρών.
2. Η γωνία αποβλήτου (γ), που ελέγχει αποτελεσματικά την κοπή. Αύξηση της γωνίας αποβλήτου έχει σα συνέπεια τη μείωση των δυνάμεων κοπής. Ωστόσο σε μεγάλες γωνίες αποβλήτου το κοπτικό εργαλείο γίνεται πιο αιχμηρό με αποτέλεσμα την υπερθέρμανση και φθορά της αιχμής και την ελάττωση της αντοχής του. Στην πράξη η γωνία αποβλήτου κυμαίνεται μεταξύ μηδέν και είκοσι μοιρών. Σε μεγάλες ταχύτητες κοπής και μικρή διατομή αποβλήτου η γωνία γ λαμβάνει αρνητικές τιμές.
3. Η γωνία τοποθέτησης (κ) που επηρεάζει τη διάρκεια ζωής του εργαλείου και το μέγεθος της δύναμης κοπής. Με την αύξηση της γωνίας κ αυξάνεται και το πάχος του αποβλήτου και συνεπώς μειώνεται το μέγεθος της δύναμης κοπής. Με τη μείωση της γωνίας κ αυξάνεται το μήκος της κόψης και η επιφάνεια απαγωγής της θερμότητας κοπής, με συνέπεια την αύξηση της διάρκειας ζωής του εργαλείου
Οι βασικές συνθήκες κατεργασίες κατά την τόρνευση είναι:
α) Η ταχύτητα κοπής, δηλαδή η σχετική ταχύτητα μεταξύ του κοπτικού εργαλείου και του κατεργάσιμου τεμαχίου. Η ταχύτητα κοπής αναφέρεται στην κύρια κίνηση του εργαλείου που είναι η γραμμική ταχύτητα του περιστρεφόμενου τεμαχίου.
β) Το βάθος κοπής δηλαδή το βάθος διείσδυσης του κοπτικού εργαλείου.
γ) Η πρόωση δηλαδή η σχετική κίνηση μεταξύ εργαλείου και τεμαχίου η οποίαμ προσφέρει σταθερά στο εργαλείο νέο υλικό προς κοπή. Στους τόρνους η πρόωση γίνεται από το κοπτικό εργαλείο και είναι η κατά την έννοια του άξονα περιστροφής μετακίνηση του κοπτικού εργαλείου ανά στροφή του αντικειμένου.
Φρέζες
Η άλλη συνήθης κατεργασία κοπής με εργαλείο πολλαπλής σημειακής επαφής είναι το φρεζάρισμα. Το φρεζάρισμα είναι κοπή με περιστροφική κίνηση του κοπτικού εργαλείου και ανεξάρτητη κάθετη προς τον άξονα περιστροφής του εργαλείου προωθητική κίνηση του κατεργάσιμου τεμαχίου. Διακρίνονται δύο είδη φρεζαρίσματος, το περιφερικό φρεζάρισμα, όπου το εργαλείο περιστρέφεται οριζόντια και το μετωπικό φρεζάρισμα, όπου ο άξονας περιστροφής του κοπτικού εργαλείου είναι κατακόρυφος.
Οι βασικές συνθήκες κοπής κατά το φρεζάρισμα είναι:
Η πρόωση f ανά στροφή του κοπτικού εργαλείου και η πρόωση ανά οδόντα fz, δηλαδή το μήκος της πρόωσης μεταξύ δύο επιφανειών κοπής που η μια δημιουργείται αμέσως μετά την άλλη. Εάν z είναι ο αριθμός των οδόντων του κοπτικού εργαλείου, f=fz . z.
Η ταχύτητα κοπής v=πDn όπου D η εξωτερική διάμετρος του κοπτικού εργαλείου και n ο αριθμός των στροφών του.
Το βάθος (ή πλάτος) κοπής t, δηλαδή το μήκος της εισόδου της κύριας κόψης του εργαλείου στο κατεργάσιμο τεμάχιο. Στο περιφερικό φρεζάρισμα αντιστοιχεί στο πλάτος κοπής ενώ στο μετωπικό φρεζάρισμα στο βάθος κοπής.
Το μέγεθός επαφής e, που αντιστοιχεί στην ανά περιστροφή επαφή του κοπτικού εργαλείου πάνω στην κατεργασμένη επιφάνεια και κάθετα προς την κατεύθυνση της πρόωσης.
Κατά το περιφερικό φρεζάρισμα χαλύβων είναι δυνατές ταχύτητες κοπής μέχρι 80 m/min ενώ η πρόωση fz δεν υπερβαίνει εν γένει την τιμή 0,25 mm/οδόντα.
Αντίθετα προς τις άλλες συμβατικές κατεργασίες κοπής, στο φρεζάρισμα το απόβλητο έχει διατομή μεταβαλλόμενου πάχους που είναι συνέπεια της επαλληλίας της περιστροφής του κοπτικού εργαλείου και της πρόωσης του τεμαχ ίου. Ανάλογα με τον τρόπο σχηματισμού του αποβλήτου, το περιφερικό φρεζάρισμα διακρίνεται σε αντίρροπο και ομόρροπο. Είναι προφανές ότι στο αντίρροπο φρεζάρισμα το πάχος της διατομής του αποβλήτου μεταβάλλεται από μηδενική σε μια μέγιστη τιμή ενώ στο ομόρροπο φρεζάρισμα από τη μέγιστη τιμή του στη μηδενική.
SeparatorBetweenMainTexts Αριθμητικός έλεγχος
Ο αριθμητικός έλεγχος είναι ένας τύπος ελέγχου των μηχανών βασιζόμενος σε ψηφιακές πληροφορίες. Οι εργαλειομηχανές αριθμητικού ελέγχου είναι κατάλληλες για μικρούς και μεσαίους όγκους παραγωγής, για πολύπλοκες μορφές, διαστάσεις, κατεργασίες και μεθόδους παραγωγής αντικειμένων. Στους τόρνους (αλλά και στις άλλες εργαλειομηχανές) αριθμητικού ελέγχου οι διάφορες πληροφορίες που απαιτούνται για την κατεργασία, η κίνηση της μηχανής, οι συνθήκες κατεργασίας, η πορεία των εργαλείων, η χρήση των ψυκτικών κ.λ.π παρέχονται υπό τη μορφή αριθμητικών πληροφοριών που αποτυπώνονται στη μνήμη του υπολογιστή. Η κίνηση των εργαλείων ή του αντικειμένου εξαρτάται από ψηφιακά σήματα που δίνονται στο σερβομηχανισμό, και που οδηγούν το φορέα της μηχανής ή του εργαλείου.
Ο αριθμητικός έλεγχος είναι μια τεχνολογία που έχει πρωτοπαρουσιαστεί πριν από πενήντα περίπου χρόνια, όταν ακόμα η τεχνολογία των υπολογιστών βρισκόταν σε νηπιακό στάδιο. Οι τύποι αριθμητικού ελέγχου που αναπτύχθηκαν αφορούσαν κατά κύριο λόγο τρία συστήματα, το σύστημα κατεργασίας θέσεων, το σύστημα ευθυγράμμου κοπής και το σύστημα συνεχούς γραμμής. Το σύστημα κατεργασίας θέσεων ελέγχει την τοποθέτηση του φορέα σε ένα προκαθορισμένο σημείο, όπου πρόκειται να γίνει η κατεργασία χωρίς να ελέγχει την πορεία κατά τη μετάβαση από το ένα σημείο στο επόμενο, ενώ το σύστημα ευθυγράμμου κοπής μπορεί πέρα από τα παραπάνω να κινεί το εργαλείο σε μια ευθεία γραμμή από τη μια θέση στην άλλη. Στους τόρνους αριθμητικού ελέγχου εφαρμόζεται κατεξοχήν το σύστημα συνεχούς γραμμής, το οποίο ελέγχει συνεχώς την πορεία της κοπής.
Εκτός από τους τύπους του αριθμητικού ελέγχου καθοριστικό ρόλο έπαιζαν από τα πρώτα βήματα αυτής της τεχνολογίας και ορισμένοι κανονισμοί που κωδικοποιούσαν τις βασικές παραμέτρους της κοπής, οι οποίες προφανώς έπρεπε να ελεγχθούν. Οι κανονισμοί αυτοί ξεκίνησαν να εφαρμόζονται στις ΗΠΑ, οι οποίες και σ’ αυτόν τον τομέα της τεχνολογίας βρίσκονταν στην πρωτοπορία πολλές δεκαετίες πριν. Οι κανονισμοί αυτοί αφορούν κατ’ αρχήν τους άξονες και τις κινήσεις της μηχανής. Αναφορικά με τις κινήσεις της μηχανής το πρόβλημα που έπρεπε να λυθεί είχε να κάνει κατ’ αρχήν με την επιλογή του άξονα ( Χ ή Ψ ή Ζ) που χαρακτηρίσει τη συγκεκριμένη κίνηση (π.χ πρόωση του τόρνου) και κατά δεύτερο λόγο με το ποια κατεύθυνση θα έπρεπε να χαρακτηριστεί θετική και ποια αρνητική.
Το θεμελιώδες αυτό πρόβλημα- τουλάχιστον όσον αφορά το μαθηματικό και συνεπώς και ψηφιακό προγραμματισμό – των κινήσεων του τόρνου λύθηκε με τη χρήση του συμβατικού μαθηματικού συστήματος συντεταγμένων της δεξιάς χειρός. Αντίστοιχη αντιμετώπιση έγινε και στην κωδικοποίηση των αξόνων, όπου οι κανονισμοί καθόρισαν με διαγράμματα την ονομασία των αξόνων του τόρνου. Πάντως ο προγραμματισμός της λειτουργίας του τόρνου (αλλά και κάθε εργαλειομηχανής) μέσω αριθμητικού ελέγχου επέβαλλε τη δημιουργία κανονισμών και ως προς τις μεθόδους αναφοράς του αριθμητικού ελέγχου. Έτσι αναπτύχθηκε η βηματική μέθοδος, όπου η αναφορά γίνεται συσχετίζοντας το προηγούμενο σημείο της διαδικασίας με μια σειρά επόμενων σημείων και η απόλυτη μέθοδος, το οποίο αναφέρεται πάντα ως προς το μηδενικό σημείο του συστήματος συντεταγμένων της μηχανής.
SeparatorBetweenMainTexts Τόρνοι αριθμητικού έλεγχου
Στηριζόμενοι πάνω στις βάσεις της τεχνολογίας του αριθμητικού ελέγχου αναπτύχθηκαν οι τόρνοι αριθμητικού ελέγχου, οι οποίοι διεύρυναν τις δυνατότητες των συμβατικών τόρνων. Η διαφορά τους κυρίως βρίσκεται στον αριθμό των εργαλείων που φέρουν στο εργαλειοφορείο, και αυτό οδήγησε σε διαφορετικό σχεδιασμό τους. Η ανάλυση των τεμαχίων εκ περιστροφής που χρειάζονται ένα τόρνο συνήθως για την κατεργασία τους, έχει δείξει ότι απαιτούνται μόνο 6-12 εργαλεία για την πλήρη κατεργασία τους. Συνεπώς ο αριθμός των εργαλείων σε ένα αυτόματο τόρνο δεν χρειάζεται να είναι μεγαλύτερος. Τα εργαλεία τοποθετούνται ακτινικά γύρω από ένα turret head και φέρονται στη θέση εργασίας με περιστροφή του εργαλειοφορείου. Το εργαλειοφορείο μπορεί να φέρει 6, 9, 12 ή 18 εργαλεία στις περισσότερες των μηχανών τέτοιου τύπου. Οι περισσότερες πάντως φέρουν 6 εργαλεία.
Εξελλισσόμενα αυτά τα μηχανήματα χρησιμοποίησαν πρόσθετα εργαλειοφορεία τα οποία τοποθετούνταν κοντά στις εργαλειομηχανές ή αποτελούσαν μέρος αυτών και η αλλαγή των εργαλείων γινόταν αυτόματα με μηχανισμό που αποτελούσε τμήμα της εργαλειομηχανής ή με robot. Στο πλέον σύνηθες σύστημα αλλαγής εργαλείων αλλάζει μόνο το κοπτικό εργαλείο και η βάση του εργαλείου στο turret head παραμένει σταθερή. Πάντως τα συστήματα αλλαγής εργαλείων απαιτούν πολύπλοκα προγράμματα ελέγχου με πρόσθετες πληροφορίες για τα εργαλεία που απαιτούνται για το κάθε αντικείμενο που παρασκευάζεται, και η χρησιμοποίησή τους ενεδείκνυται σε παραγωγή που χαρακτηρίζεται από πολύ μεγάλη ποικιλία αντικειμένων σε πολύ μικρές ποσότητες.
Οι τόρνοι CNC χρησιμοποιούν την τεχνολογία CNC, η οποία ορίζεται σαν ο αριθμητικός έλεγχος που περιέχει ένα προγραμματιζόμενο υπολογιστή και που τα χαρακτηριστικά λειτουργίας αυτού του αριθμητικού ελέγχου προσδιορίζονται μέσω προγραμματισμού αυτού του υπολογιστή. Ένα σύστημα κεντρικού ελέγχου CNC περιέχει μια κεντρική μνήμη υπολογιστή στην οποία διαβιβάζονται όλα τα δεδομένα της κατεργασίας. Αυτή η μνήμη παρέχει τη δυνατότητα βελτίωσης των συνθηκών μιας πραγματικής κατεργασίας μέσω δεδομένων με τα οποία τροφοδοτεί ο χρήστης το σύστημα κατεργασίας μέσω ενός απλού πληκτρολογίου, έχοντας πάντα και την εποπτεία του κάθε τμήματος της κατεργασίας μέσω μιας οθόνης.
Με τη χρήση ειδικού προγράμματος τα διάφορα λάθη της παραγωγικής διαδικασίας μπορούν να εξομοιωθούν και συνεπώς να προσδιοριστούν τα σφάλματα του συνολικού συστήματος. Ο διατιθέμενος με αυτόν τον τρόπο όγκος πληροφοριών μπορεί να αξιοποιηθεί για τη δημιουργία των «έμπειρων συστημάτων κατεργασιών» που αποτελούν μια σύγχρονη εξέλιξη του λογισμικού που υποστηρίζει τις κατεργασίες.
Φρέζες CNC
Από τότε που έγινε δυνατή η κίνηση των διαφόρων μερών των εργαλειομηχανών μέσω ηλεκτρονικών υπολογιστών, ξεκίνησαν μεγάλες αλλαγές στις φρέζες. Το αποτέλεσμα είναι να συναντάμε σήμερα φρέζες CNCμε παρόμοια μορφή με τις κλασικές αλλά και μηχανές που κάνουν φρεζάρισμα αλλά δεν μοιάζουν καθόλου με φρέζες. Κάποια από τα επακόλουθα αυτών των αλλαγών είναι:
– να απαιτείται σήμερα από τον χειριστή της φρέζας να έχει γνώσεις CNC
– να περιορίζεται η τεράστια ποικιλία των εργαλείων φρέζας (και το αντίστοιχο κόστος προμήθειας ή κατασκευής τους)
– να αναζητούνται λύσεις για εργαλεία με εναλλάξιμα πλακίδια από σκληρομέταλλο για να εκμεταλλευτούν τις αυξημένες δυνατότητες των καινούργιων μηχανών
– να τρέχουν οι καινούργιες μηχανές με μεγάλες ταχύτητες
– να είναι δυνατή η κατασκευή με ακρίβεια και χαμηλό κόστος πολύ δύσκολων γεωμετρικά μορφών, πράγμα αδύνατο για τις κλασικές φρέζες
– να είναι πιο συμφέρουσα η ένταξη στην παραγωγική διαδικασία του φρεζαρίσματος σε σχέση με παλιότερα. Ειδικά με την εκμετάλλευση της δυνατότητας αυτόματης τροφοδότησης αλλά και ποιοτικού ελέγχου επί της μηχανής, η φρέζα από εργαλείο υποστήριξης γίνεται εργαλείο γραμμής παραγωγής.
– Τελικά το φρεζάρισμα να γίνεται δυνατότητα πολλών εργαλειομηχανών που δεν θεωρούνται αποκλειστικά μηχανές φρεζαρίσματος.
Πολυαξονική κατεργασία
Οι πολυαξονικές κατεργασίες των υλικών επιτυγχάνουν την κατασκευή σύνθετων μεταλλικών μορφών χωρίς νεκρούς χρόνους κοπής βελτιώνοντας την παραγωγικότητα των κατασκευαστικών συστημάτων. Κατά την πολυαξονική κατεργασία διάφορες φάσεις φρεζαρίσματος και τορνιρίσματος και διάφοροι τύποι κοπής, όπως σφηνοκοπή και ελικοειδής κοπή μπορούν να γίνουν με τη χρησιμοποίηση ενός και μόνου μηχανήματος που θα κατεργάζεται ένα τεμάχιο τοποθετημένο σε μια αρχική θέση κατεργασίας.
Στις πολυαξονικές κατεργασίες είναι πιο εύκολο να προγραμματίσουμε κάθε μια συγκεκριμένη φάση χωριστά χρησιμοποιώντας τους Χ, Υ, Ζ χωρίς να λάβουμε υπ’ όψη την γωνία κοπής. Αυτό επιτυγχάνεται με την λειτουργία «Μετατόπιση Αρχής Προγράμματος» η οποία σε κάθε φάση μετατρέπει το σύστημα συντεταγμένων ανάλογα με την επιθυμητή γωνία κοπής.
Ένα κέντρο κατεργασίας πολλαπλών αξόνων και πλευρών μπορεί να φέρει δύο περιστρεφόμενα φορεία NC τα οποία να έχουν ενσωματωθεί στα πλευρικά τοιχώματα του τραπεζιού. Ένα τέτοιο σύυγχρονο κέντρο κατεργασίας προσφέρει μεγάλη δυναμικότητα με γραμμική μετάδοση κίνησης και άξονα NC στρογγυλού φορείου.
Μπορεί να διαθέτει περιστρεφόμενο στρογγυλό φορείο NC το οποίο να ξεχωρίζει με τη δυναμικότητα των αξόνων C και Α. Οι υψηλές στροφές στον άξονα C μπορούν να εξασφαλίζονται από έναν γραμμικό κινητήρα (κινητήρας Torque). Οι υψηλές στροφές στον άξονα A μπορούν να εξασφαλίζονται από ένα δίδυμο σύστημα μετάδοσης. Μια περιοχή περιστροφής από +25° έως –100° εξασφαλίζει τη μέγιστη ελευθερία επεξεργασίας στο χώρο εργασίας. Η μεγάλη ικανότητα φορτίου του τραπεζιού (της τάξεως ενός τόνου) ενόε τέτοιου κέντρου κατεργασίας επιτρέπει τη στερέωση ακόμη και τεμαχίων κατεργασίας με μεγάλες διαστάσεις ή βάρος.
Φρεζάρισμα επιφάνειας υπό γωνία
Το φρεζάρισμα επιφανείας υπό γωνία γίνεται με την τοποθέτηση του πάνω εργαλειοφορέα με φρεζοκεφαλή υπό γωνία στο επίπεδο που ορίζεται από τους Χ-Ζ Το σύστημα συντεταγμένων μιας γωνιακής κατεργασίας ορίζεται από τις συντεταγμένες των Χ-Υ-Ζ. Αυτό το σύστημα συντεταγμένων προκύπτει από το σύστημα συντεταγμένων του μηχανήματος Χ-Υ-Ζ όταν περιστραφούν περί τον Υ.
Τα αρχικά δεδομένα με τις αποστάσεις των εργαλείων που έχουν δοθεί αρχικά σε 0ο, περιστρέφονται αυτόματα σύμφωνα με τη γωνία κατεργασίας.
Στο φρεζάρισμα υπό γωνία οι γραμμικές και κυλινδρικές κινήσεις εκτελούνται ενώ το σύστημα εντολών ελέγχου των συντεταγμένων των αξόνων της γωνιακής κατεργασίας μετατρέπεται σε συντεταγμένες της μηχανής.
Σημείωση: Για τη σύνταξη του άρθρου χρησιμοποιήθηκε εκτός των άλλων πηγών και σημαντικός όγκος τεχνικού υλικού από τα εγχειρίδια «Κατεργασίες των υλικών» του Αθαν. Μάμαλη Τακτικού Καθηγητή ΕΜΠ.
