Σχολή Τεχνολογικών Εφαρμογών. Τμήμα Μηχανολογίας ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΤΙΤΛΟΣ: Μηχανουργική Τεχνολογία. Χθες, Σήμερα και Αύριο

Transcript

1 Τ.Ε.Ι. Καβάλας Σχολή Τεχνολογικών Εφαρμογών Τμήμα Μηχανολογίας ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΤΙΤΛΟΣ: Μηχανουργική Τεχνολογία Χθες, Σήμερα και Αύριο Επιβλέπων Καθηγητής: κ. Καρκάνης Αναστάσιος, Μηχανολόγος Μηχανικός Σπουδαστής: Μηλιαράκης Εμμανουήλ, Α.Ε.Μ ΚΑΒΑΛΑ 2012

2 Αφιερώνεται στην υπέροχη σύζυγο μου Λύδια και στον νεογέννητο γιό μας.

3 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Περιεχόμενα. 1 Πρόλογος.. 5 Κεφάλαιο 1: Ιστορική αναδρομή των Εργαλειομηχανών.7 1.1) Τα πρώτα εργαλεία Οι εποχές που χαρακτήρισαν 7 1.2) Η εμφάνιση των πρώτων Εργαλειομηχανών ) Η εξέλιξη των εργαλειομηχανών από το 14 ο έως τον 19 ο αιώνα Η εξέλιξη του τόρνου Η εμφάνιση της πλάνης και της φρέζας ) Η εξέλιξη των εργαλειομηχανών στον 20 ο αιώνα Η ανάγκη για αυξημένη βιομηχανική παραγωγή Τα υλικά των κοπτικών εργαλείων Η ακρίβεια κατασκευής Μέθοδοι και όργανα μετρήσεως Η αυτοματοποίηση στις εργαλειομηχανές Στάδια εξέλιξης μηχανουργικού τόρνου. (Ενδεικτική αναφορά)...18 Κεφάλαιο 2: Οι συμβατικές Εργαλειομηχανές του σήμερα ) Γενικά για τις Εργαλειομηχανές ) Ταξινόμηση των εργαλειομηχανών Κατάταξη ως προς το είδος της κατεργασίας Κατάταξη ως προς το είδος της πρωτεύουσας κίνησης Διάκριση ως προς το βαθμό εξειδίκευσης Κατάταξη ανάλογα με την ακρίβεια της κατεργασίας Κατάταξη ανάλογα με τη μορφή των κατεργασμένων επιφανειών Κατάταξη ως προς το βάρος τους Κατάταξη ως προς το βαθμό αυτοματισμού ) Κατασκευαστικές απαιτήσεις των εργαλειομηχανών ) Τόρνευση και Τόρνος ) Τα είδη της τόρνευσης ) Ο Τόρνος Οριζόντιος μηχανουργικός τόρνος γενικής χρήσης Ο απλός μηχανουργικός τόρνος γενικής χρήσης Ο μετωπικός τόρνος Ο τόρνος πολλών εργαλείων Ο τόρνος απλής (μίας) χρήσεως Οριζόντιος πυργωτός τόρνος (Τόρνος Revolver)

4 2.3) Φραιζάρισμα και Φραιζομηχανή ) Τα είδη του Φραιζαρίσματος ) Η Φραιζομηχανή Φραιζομηχανές γενικής χρήσης Οι φραιζομηχανές τύπου γόνατος Φραιζομηχανές τύπου κλίνης Φραιζομηχανές τύπου κυκλικής περιστρεφόμενης τράπεζας Φραιζομηχανές σταθερής κλίνης φραιζοπλάνες Φραιζοδράπανα Ειδικές φραιζομηχανές Φραιζομηχανές αντιγραφής Παντογράφοι Φραιζομηχανές σφηνοδρόμων Φραιζομηχανές μορφοποίησης αυλακώσεων σε κοπτικά εργαλεία ) Πλάνισμα και Πλάνες ) Τα είδη του πλανίσματος ) Οι Πλάνες Η οριζόντια βραχεία πλάνη Η κατακόρυφη βραχεία πλάνη Η τραπεζοπλάνη (ή γεφυροπλάνη) ) Διάτρηση και Δράπανα ) Η κινηματική της διάτρησης ) Το Δράπανο Είδη και μορφολογία δραπάνου Το επιτραπέζιο δράπανο Το δράπανο ορθοστάτη Το ακτινωτό δράπανο ή ράντιαλ Το δράπανο μεταφοράς Το πολυάτρακτο δράπανο Το πυργωτό δράπανο Το δράπανο για βαθιές οπές Τεχνικά χαρακτηριστικά δράπανου...59 Κεφάλαιο 3: Οι εργαλειομηχανές Αριθμητικού Ελέγχου (CNC) ) Εισαγωγή ) Βασικοί ορισμοί ) Ιστορική αναδρομή των ψηφιακά καθοδηγούμενων εργαλειομηχανών ) Πεδίο χρησιμοποίησης εργαλειομηχανών NC, CNC και DNC ) Διαφορές μεταξύ συμβατικών και NC, CNC και DNC εργαλειομηχανών ) Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της ψηφιακής καθοδήγησης ) Κατάταξη μηχανουργείων ανάλογα με το βαθμό αυτοματοποίησής τους ) CNC Κέντρα κατεργασίας

5 3.8.1) Τα είδη των κέντρων κατεργασίας Κέντρα κατεργασίας με βάση τον τόρνο Κέντρα κατεργασίας οριζόντιας ατράκτου Κέντρα κατεργασίας κατακόρυφης ατράκτου ) Τα τμήματα των CNC κέντρων κατεργασίας ) Προγραμματισμός ψηφιακά καθοδηγούμενων εργαλειομηχανών ) Διαδικασία κατασκευής ενός αντικειμένου σε CNC εργαλειομηχανή...79 Κεφάλαιο 4: Εργαλειομηχανές νέας γενιάς ) Εισαγωγή ) Μηχανές ηλεκτροδιάβρωσης (electro-discharge machining/edm) ) Γενικά ) Φυσικές αρχές της EDM ) Τεχνικές και Είδη μηχανών EDM Τεχνικές ηλεκτροδιάβρωσης Ηλεκτροδιάβρωση αποτύπωσης Ηλεκτροδιάβρωση σύρματος Είδη μηχανών EDM Κατασκευής καλουπιών Κοπής σύρματος Φρεζαρίσματος Τα μέρη μιας μηχανής EDM ) Κατεργασία τεμαχίων με χρήση Laser ) Γενικά ) Αρχή λειτουργίας Laser ) Διάταξη Laser ) Χρήση Laser σε κατεργασία υλικών Θερμική αλληλεπίδρασης Laser Ύλης Κοπή με Laser Βασικές αρχές Μέθοδοι κοπής με Laser Ποιότητα κοπής με Laser Συγκόλληση με Laser Διαδικασία συγκόλλησης με Laser Παράμετροι συγκόλλησης με Laser Ποιότητα συγκόλλησης με Laser Ατέλειες στη συγκόλληση με Laser Διάτρηση με Laser Βασικές αρχές της διάτρησης με Laser Εφαρμογές της διάτρησης με Laser Επεξεργασία επιφάνειας με Laser

6 Θέρμανση επιφάνειας Λιώσιμο της επιφάνειας Επίστρωση επιφάνειας Κραματοποίηση επιφάνειας Εγγραφή σε επιφάνεια με Laser Εγγραφή με απομάκρυνση υλικού Εγγραφή λόγω αλλαγής της μορφολογίας της επιφάνειας Εγγραφή με μάσκα Απευθείας εγγραφή με το Laser Επίλογος Βιβλιογραφία

7 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Στις ημέρες μας θεωρούμε δεδομένο ότι ο άνθρωπος είναι σε θέση να επεμβαίνει δραστικά στον κοινωνικό περίγυρο και στο φυσικό περιβάλλον και να προκαλεί αποτελέσματα, τα οποία αναμένουμε να είναι βέλτιστα από οικονομικής, ορθολογικά από ενεργειακής, συμβατά με τη φύση από περιβαλλοντικής και όμορφα από αισθητικής σκοπιάς. Αυτή η ικανότητα δραστικής επέμβασης του ανθρώπου δεν ήταν πάντα αυτονόητη, και χρειάστηκε μια μακρά πορεία πολλών δεκάδων χιλιάδων ή ακόμη και εκατοντάδων χιλιάδων ετών ώστε να εξελιχθεί το ανθρώπινο ον, και να περάσει από το στάδιο του «κατασκευαστή εργαλείων», σε εκείνο του αποκωδικοποιητή των μυστικών της φύσης και τελικά να καταλήξει σε άμεσο ή έμμεσο διαμορφωτή του οικοσυστήματος. Σκοπός της παρούσας πτυχιακής εργασίας είναι να περιγραφεί, μέσα από την εξέλιξη της μηχανουργικής τεχνολογίας, αυτή η συναρπαστική πορεία του ανθρώπου, και μέσα από αυτή την πορεία να εκπληρωθεί και ο προφανής και κύριος στόχος της εργασίας αυτής, ο οποίος δεν είναι άλλος από την κατανόηση και παρακολούθηση της εξέλιξης της μηχανουργικής τεχνολογίας στην πάροδο των αιώνων. Η μελέτη και υλοποίηση της εργασίας αυτής διαρθρώνεται στις εξής ενότητες: Στο πρώτο κεφάλαιο πραγματοποιείται μια ιστορική αναδρομή των εργαλειομηχανών. Η αναδρομή αυτή ξεκινάει από τα πρώτα εργαλεία που κατασκευάστηκαν από τον άνθρωπο και γίνεται μια αναφορά και στα υλικά τα οποία χρησιμοποιήθηκαν τότε για την κατασκευή των εργαλείων αυτών, καθώς και τις εποχές που χαρακτήρισαν. Στη συνέχεια, περνάει στην εμφάνιση των πρώτων εργαλειομηχανών, οι οποίες κατασκευάστηκαν για την επεξεργασία των νέων τότε υλικών (μεταλλευμάτων). Προχωρώντας στο κεφάλαιο αυτό θα δούμε το πώς εξελίχθηκαν οι εργαλειομηχανές από το 14 ο έως τον 19 ο αιώνα και κλείνοντας θα δούμε την εξέλιξή τους κατά τη διάρκεια του 20 ου αιώνα και πως οδηγηθήκαμε σε αυτή την ραγδαία εξέλιξη στα μέσα του αιώνα αυτού. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μια περιγραφή των συμβατικών εργαλειομηχανών του σήμερα, αναφέροντας κάποια γενικά στοιχεία για τις συμβατικές εργαλειομηχανές και έπειτα, αναφέρονται πιο συγκεκριμένα στοιχεία για την τόρνευση και τον τόρνο, το φραιζάρισμα και την φραιζομηχανή, το πλάνισμα και τις πλάνες, και τέλος, για την διάτρηση και τα δράπανα. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφονται οι μηχανές αριθμητικού ελέγχου (CNC). Στο κεφάλαιο αυτό αναφέρονται κάποιοι βασικοί ορισμοί, πραγματοποιείται μια ιστορική αναδρομή των ψηφιακά καθοδηγούμενων μηχανών και γίνεται μια αναφορά για το πεδίο χρησιμοποίησης των εργαλειομηχανών NC, CNC και DNC. Επίσης, αναφέρονται οι διαφορές μεταξύ συμβατικών και NC, CNC και DNC εργαλειομηχανών, καθώς και τα πλεονεκτήματα αλλά και τα μειονεκτήματα της ψηφιακής καθοδήγησης. Το κεφάλαιο αυτό κλείνει με μια αναφορά στα CNC κέντρα 5

8 κατεργασίας και με μια πιο εκτενή αναφορά στον προγραμματισμό των ψηφιακά καθοδηγούμενων εργαλειομηχανών. Στο τέταρτο και τελευταίο κεφάλαιο γίνεται μια περιγραφή των εργαλειομηχανών νέας γενιάς. Στο κεφάλαιο αυτό περιγράφονται οι μηχανές ηλεκτροδιάβρωσης (electro-discharge machining/edm), κάνοντας μια αναφορά στις φυσικές αρχές της EDM, τις τεχνικές και τα είδη των μηχανών EDM, καθώς επίσης αναφέρονται και τα μέρη μιας μηχανής EDM. Ακολούθως, στο κεφάλαιο αυτό, περιγράφεται η κατεργασία τεμαχίων με χρήση Laser. Και στην περίπτωση αυτή, γίνεται αναφορά στην αρχή λειτουργίας των Laser, στην διάταξη τους και ολοκληρώνοντας το κεφάλαιο αυτό, περιγράφεται η χρήση των Laser στην κατεργασία υλικών. Σε αυτό το σημείο αισθάνομαι υποχρεωμένος να εκφράσω τις θερμές και ειλικρινείς μου ευχαριστίες στον υπεύθυνο καθηγητή μου κύριο Τάσο Καρκάνη, για την καθοδήγηση και τις γνώσεις που μου πρόσφερε απλόχερα κατά τη διάρκεια της συγγραφής της πτυχιακής μου εργασίας, αλλά και για την υπομονή, επιμονή και εμπιστοσύνη που μου έδειξε. Χωρίς αυτά η εκπόνηση της παρούσας εργασίας θα ήταν αδύνατη. 6

9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ιστορική Αναδρομή Εργαλειομηχανών 1.1 Τα πρώτα εργαλεία Οι εποχές που χαρακτήρισαν Ο άνθρωπος, από την αρχή της εμφάνισής του, άρχισε να χρησιμοποιεί διάφορα υλικά με τα οποία έφτιαξε εργαλεία και όπλα που του ήταν απαραίτητα για την επιβίωσή του. Τα πρώτα εργαλεία και όπλα, ήταν είτε από ξύλα, είτε από πέτρες, είτε από κόκαλα. Αυτά ήταν τα πρώτα υλικά που χρησιμοποίησε ο άνθρωπος και επειδή το πιο σημαντικό ήταν η πέτρα, η εποχή αυτή ονομάστηκε λίθινη. Εικόνα 1.1. Λίθινα εργαλεία Τα μέταλλα τα ανακάλυψε αργότερα (περίπου το 5000 π.χ.). Μία θεωρία υποστηρίζει ότι μετά από μεγάλες πυρκαγιές, τα μέταλλα που υπήρχαν μέσα σε διάφορα πετρώματα έλιωναν, κι έτσι με αυτό τον τρόπο επιτυγχανόταν η εξόρυξή τους. Έτσι ο άνθρωπος ανακάλυψε το χαλκό (Cu). Η εποχή αυτή χαρακτηρίζεται από την χρήση του χαλκού και ονομάζεται εποχή του χαλκού ( π.χ.). Γρήγορα παρατήρησε ότι αυτό το υλικό είχε μια πολύ χρήσιμη ιδιότητα, ήταν εύπλαστο, δηλαδή μπορούσε πολύ εύκολα να το διαμορφώσει σε εργαλείο ή σε όπλο (π.χ. με σφυρηλάτηση), χωρίς αυτό να παρουσιάσει ρωγμές ή να σπάσει. 7

10 Εικόνα 1.2. Χύτευση σε καλούπια το 4000 π.χ. Τυχαία πάλι, ίσως μετά από κάποια πυρκαγιά, βγήκε από κάποια πετρώματα ένα μεταλλικό υλικό, το οποίο έμοιαζε με το χαλκό, αλλά είχε πολύ καλύτερες μηχανικές ιδιότητες. Το υλικό αυτό ήταν κράμα χαλκού-κασσιτέρου (Cu-Sn) και ονομάστηκε κρατέρωμα (μπρούντζος). Το κράμα αυτό ήταν πιο σκληρό και λιγότερο εύπλαστο από το χαλκό. Έτσι το χρησιμοποίησε ως εργαλείο και όπλο, αντικαθιστώντας το χαλκό. Η εποχή αυτή ονομάστηκε εποχή του κρατερώματος ( π.χ.). Ο άνθρωπος έφτιαχνε τον μπρούντζο με ανάμειξη χαλκού και κασσιτέρου και μετά λιώσιμο. Ο κασσίτερος λαμβανόταν από κασσιτερούχα πετρώματα. Ο σίδηρος (Fe), ανακαλύφθηκε από τον άνθρωπο αργότερα, από τους διαφόρους μετεωρίτες που έπεφταν στη γη. Λόγω του μεγάλου σημείου τήξεως του σιδήρου (1538 C) σε σχέση με αυτό του χαλκού (1083 C), η διαμόρφωση του σιδήρου με σφυρηλάτηση παρουσίαζε μεγάλες δυσκολίες. Αυτός ήταν και ο κύριος λόγος για τον οποίο η χρησιμοποίηση του σιδήρου αναπτύχθηκε αργά. Όμως, ο σίδηρος εκτιμήθηκε πολύ, όταν κατά το λιώσιμο σιδηρούχων μεταλλευμάτων που περιείχαν άνθρακα (0,2-0,5%) φτιάχτηκε χάλυβας. Παρατηρήθηκε ότι εργαλεία ή όπλα (ξίφη) που ήταν κατασκευασμένα από χάλυβα, αποκτούσαν εξαιρετική σκληρότητα, όταν στη ζεστή ( C) κατάσταση βυθίζονταν σε νερό (βαφή). Η εποχή αυτή ονομάστηκε εποχή του σιδήρου (1000 π.χ. - σήμερα). Έτσι, αναπτύχθηκε σιγά-σιγά η μεταλλουργία του σιδήρου, καθώς και άλλων μετάλλων, όπως του χρυσού (Au), του αργύρου (Ag) και του μολύβδου (Pb). Ο 19ος αιώνας χαρακτηρίζεται από μεγάλη πρόοδο της μεταλλουργίας. Σημαντικότερες ανακαλύψεις αυτής της περιόδου ήταν η παραγωγή χάλυβα με τη μέθοδο Bessemer και κατά τα τέλη του 19ου αιώνα η ανακάλυψη του ελαφρού μετάλλου αλουμινίου (Al), του οποίου τα κράματα αποτέλεσαν τη βάση της Αεροναυπηγικής και της Αυτοκινητοβιομηχανίας. Τα κράματα του αλουμινίου, του τιτανίου και κάποιοι ειδικοί χάλυβες, οδήγησαν σε εκπληκτικά αποτελέσματα την 8

11 επιστήμης και την τεχνολογία του διαστήματος. Τέλος, υπάρχουν ακόμα πολλές τεχνικές ανάγκες τις οποίες δεν μπορούν να καλύψουν τα μέχρι τώρα μεταλλικά υλικά. Γι' αυτό τον λόγο η έρευνα πάνω στον έλεγχο της δομής των υλικών συνεχίζεται μέχρι και σήμερα [1]. 1.2 Η εμφάνιση των πρώτων Εργαλειομηχανών Όσο λοιπόν στο πέρασμα των αιώνων ο άνθρωπος ανακάλυπτε νέα υλικά για να κατασκευάσει τα απαραίτητα για την επιβίωσή του όπλα και εργαλεία, ταυτόχρονα έπρεπε να ανακαλύπτει και νέους τρόπους επεξεργασίας των υλικών αυτών, ώστε να μπορεί να τα επεξεργαστεί καλύτερα και γρηγορότερα, πετυχαίνοντας και την επιθυμητή ακρίβεια στο τελικό αντικείμενο. Οι πρώτες τεχνικές επεξεργασίας των νέων πιο σκληρών υλικών (μεταλλευμάτων), ήταν η χύτευση και η σφυρηλάτηση. Δηλαδή, το υλικό θερμαίνονταν μέχρι να φτάσει το σημείο τήξεως και να γίνει ρευστό, και έπειτα χυνόταν σε πέτρινα καλούπια ούτως ώστε να πάρει το επιθυμητό σχήμα. Την τελική μορφή του την έπαιρνε έπειτα από σφυρηλάτηση που έκανε ο τεχνίτης όταν το έβγαζε από το καλούπι. Αυτή η τεχνική επεξεργασίας όμως δεν είχε πάντα τα επιθυμητά αποτελέσματα, καθώς η ακρίβεια και η τελική μορφή του αντικειμένου ήταν απόλυτα συνδεδεμένη με την επιδεξιότητα του τεχνίτη. Πέρα από αυτό όμως, η ανακάλυψη του σιδήρου, ο οποίος έχει υψηλότερο σημείο τήξης από το χαλκό, έκανε την διαδικασία της χύτευσης ακόμα πιο δύσκολη μιας και τα μέσα θέρμανσης των υλικών της εποχής (φωτιά σε ανοικτό χώρο με την χρήση ξύλων) δεν επαρκούσε ώστε να ρευστοποιήσει το σίδηρο. Έτσι, οι άνθρωποι προχώρησαν στην ανακάλυψη νέων εργαλείων και τεχνικών ώστε να μπορέσουν να εκμεταλλευτούν και το νέο αυτό υλικό. Προσπάθησαν λοιπόν να κατασκευάσουν μηχανές σταθερής θέσης με εξωτερική κίνηση, με τις οποίες θα μπορούσε να γίνει η επεξεργασία τεμαχίων στερεού υλικού (π.χ. ξύλο, μέταλλο) για την δημιουργία διαφόρων προϊόντων. Δηλαδή τις πρώτες εργαλειομηχανές. Γνωστότερη από τους αρχαίους χρόνους εργαλειομηχανή είναι ο τόρνος, άλλες είναι το δράπανο, η φρέζα, η πλάνη, η πρέσα κ.ά.. Έχουν διασωθεί γραφικές αποτυπώσεις που παριστάνουν τεχνικούς ήδη στη Μεσοποταμία και την αρχαία Αίγυπτο να χειρίζονται ένα είδος τόρνου, δηλαδή μιας «μηχανής» που περιστρέφει (με τη μυϊκή δύναμη του βοηθού, συνήθως δούλου) το προς επεξεργασία αντικείμενο και ο χειριστής (μάστορας) να επεμβαίνει στη μορφή του αντικειμένου και να το διαμορφώνει. Αντίστοιχες παραστάσεις γνωρίζουμε από την Κίνα, την αρχαία Ελλάδα και άλλες περιοχές της Ευρώπης και της Ασίας. Σημαντικά δημιουργήματα με χρήση τόρνου έχουν διασωθεί από τους Κέλτες και τους Ετρούσκους. Συνηθέστερη και πρωταρχική μορφή αυτής της διαδικασίας επεξεργασίας, που αφορούσε την ακρίβεια και την καλαισθησία του τελικού αντικειμένου και όχι την σκληρότητα του αρχικού υλικού, είναι η διαμόρφωση με τα χέρια πήλινων κεραμικών στον περιστρεφόμενο τροχό. Στον τόρνο επεξεργαζόμαστε κυρίως υλικά αρκετά πιο σκληρά από τον πηλό [2]. 9

12 Γενικότερα, στους αρχαίους χρόνους η εξέλιξη των εργαλειομηχανών συντελέστηκε με αργά και σταθερά βήματα, μιας και στις περισσότερες περιπτώσεις, το υλικό προς κατεργασία παρουσίαζε μεγαλύτερη σκληρότητα από το κοπτικό εργαλείο. Η ουσιαστική αλλαγή στην αποτελεσματικότητα και την ακρίβεια των εργαλειομηχανών συντελέστηκε περίπου το Μεσαίωνα και κυρίως μετά το 14 ο αιώνα όπου υπάρχουν και συγκεκριμένες περιγραφές και αποτυπώσεις για την χρησιμοποίηση εργαλειομηχανών. 1.3 Η εξέλιξη των εργαλειομηχανών από το 14 ο εως τον 19 ο αιώνα Η εξέλιξη του τόρνου Το Μεσαίωνα χρησιμοποιούνται συνεχώς κάποιες μορφές τόρνου για διάφορες κατασκευές, αλλά κυρίως μετά το 14ο αιώνα υπάρχουν συγκεκριμένες αποτυπώσεις και περιγραφές, συχνότερα στο γερμανόφωνο χώρο από τους ωρολογοποιούς, οι οποίοι κατασκεύαζαν λεπτά σπειρώματα σε βίδες. Τόρνος σε γερμανικό μηχανουργείο στα τέλη του 14ου αιώνα Τόρνος Γερμανού ωρολογοποιού στα τελη του 15ου αιώνα Εικόνα 1.3. Τόρνος σε γερμανικό μηχανουργείο στα τέλη του 14ου αιώνα & Τόρνος Γερμανού ωρολογοποιού στα τελη του 15ου αιώνα Ο Λεονάρντο ντα Βίντσι έχει σχεδιάσει πρωτότυπους τόρνους για την κατασκευή πολεμικών μηχανών, δεν είναι γνωστό όμως, αν αυτές οι εργαλειομηχανές είναι επινοήσεις του ίδιου του μεγάλου μηχανικού και καλλιτέχνη και αν κατασκευάστηκαν ποτέ πραγματικά [2]. 10

13 Εικόνα 1.4. Σχέδια για τόρνους του Λεονάρντο ντα Βίντσι Μέχρι την Αναγέννηση φαίνεται να επικρατούσε στους τόρνους η παλινδρομική κίνηση. Δηλαδή το προς επεξεργασία αντικείμενο άλλαζε φορά περιστροφής, λόγω του τοξοειδούς κινητήριου μηχανισμού που χειριζόταν ο βοηθός ή ενεργοποιούσε με το πόδι ο τεχνίτης. Από τα μέσα του 15ου αιώνα φαίνεται να καθιερώνονται οι τόρνοι σταθερής κίνησης, όπως αυτός του Λεονάρντο ντα Βίντσι με τον τροχό μάζας, ο οποίος διατηρεί μια σταθερή ταχύτητα περιστροφής. Τις πρώτες έγκυρες πληροφορίες για την εξέλιξη των εργαλειομηχανών κατά την περίοδο της Αναγέννησης τις παίρνουμε σήμερα από το βιβλίο του Jacques Besson (Μπεσόν, ) με τίτλο Theatrum Instrumentorum (1569), στο οποίο, ο συγγραφέας, συμπεριελάμβανε όλες τις μηχανές που ήταν γνωστές στην εποχή του [3]. Επίσης, στο 18 ο αιώνα, ο Ντιντερό στην εγκυκλοπαίδεια του περιγράφει τόρνους για την κατασκευή εξωτερικών και εσωτερικών σπειρωμάτων. Μπορούμε να θεωρήσουμε ότι η σύγχρονη ιστορία των εργαλειομηχανών άρχισε το έτος 1775 στην πρώτη Βιομηχανική Επανάσταση, όταν ο Άγγλος John Wilkinson (Γουίλκινσον, ) κατασκεύασε ένα οριζόντιο δράπανο (φρεζοδράπανο) για την επεξεργασία των εσωτερικών επιφανειών πυροβόλων. Η κινητήρια δύναμη της μηχανής του ερχόταν από ένα υδροτροχό. Εικόνα 1.5. Ο John Wilkinson ( ) 11

14 Στα 1794, ο Henry Maudslay (Μόσλυ, ) κατασκεύασε ένα μεταλλικό τόρνο με αυτοδύναμη προώθηση του κοπτικού εργαλείου και στην συνέχεια, ο ίδιος, κατασκεύασε διάφορους όμοιους τόρνους με μεταβαλλόμενη ταχύτητα περιστροφής, καθώς επίσης κοπτικές μηχανές για σπειρώματα και γρανάζια [2]. Εικόνα 1.6. Ο πρώτος τόρνος του Μόσλυ για κοπή σπειρωμάτων (~1800) Ο James Watt (Βατ, ) κατασκεύασε στη δεκαετία του 1810 ένα παντογράφο, μια μηχανή που χρησιμοποιείται συχνά και σήμερα για να «αντιγράφει» ανάγλυφες επιφάνειες (νομίσματα κ.ά.). Την ίδια δεκαετία, και πιο συγκεκριμένα στα 1813, ο Thomas Blanchard (Μπλάνσαρντ, ) θέλοντας να δημιουργήσει ένα μηχάνημα το οποίο θα τον βοηθούσε στην κατασκευή κανών μικρών όπλων, κατασκεύασε έναν τόρνο, στον οποίο το κοπτικό εργαλείο καθοδηγείτο από μια επαφή που ακολουθούσε ένα προκατασκευασμένο υπόδειγμα. Περίπου 30 χρόνια αργότερα, στη δεκαετία του 1840, κατασκευάστηκε ο πρώτος αυτόματος τόρνος (ρεβόλβερ), στον οποίο το εργαλειοφορείο έχει επάνω του όλα τα κοπτικά εργαλεία. Με μία περιστροφή του φορείου έρχεται το κατάλληλο εργαλείο σε θέση εργασίας και εξοικονομείται έτσι σημαντικός χρόνος [4]. Εικόνα 1.7. Ο James Watt ( ) Εικόνα 1.8. Ο Thomas Blanchard ( ) 12

15 Σημαντική στον τομέα των εργαλειομηχανών ήταν στα μέσα του 19 ου αιώνα η συμβολή του Άγγλου μηχανικού Joseph Whitworth (Γουίθγουορθ, ), ο οποίος ασχολήθηκε με κατασκευές οργάνων μέτρησης και κατασκευές σπειρωμάτων. Ο σημαντικός αυτός μηχανικός δημιούργησε λοιπόν, εκτός από τις τεχνικές κατασκευές, και τις αρχές της τυποποίησης, σύμφωνα με την οποία, κάθε τεχνικό εξάρτημα που έχει μελετηθεί και δοκιμαστεί, έπρεπε να κατασκευάζεται ανεξάρτητα από την υπόλοιπη μηχανή, με ακριβείς προδιαγραφές και σχέδια που προέβλεπαν διαστάσεις, ανοχές κλπ. Έτσι, κάθε εξάρτημα σε μια μηχανή θα ήταν εύκολο να αντικατασταθεί, σε περίπτωση βλάβης, με ένα ανταλλακτικό, ακριβώς ίδιο. Με τις ιδέες αυτές του Γουίθγουορθ, η μηχανουργία περνάει από τη βιοτεχνική στην βιομηχανική εποχή, κατά την οποία η μηχανολογική παραγωγή μαζικοποιείται. Το όνομα του πρωτοπόρου αυτού τεχνικού έχει δοθεί σε ένα τυποποιημένο σπείρωμα (Whitworth threat, -Gewinde) που στηρίζεται σε ίντσες και είναι διαδεδομένο κυρίως στον αγγλοσαξονικό χώρο. Στην ηπειρωτική Ευρώπη κυριαρχεί το μετρικό σπείρωμα που βασίζεται στο δεκαδικό σύστημα. Εικόνα 1.9. Ο Joseph Whitworth ( ), Η εμφάνιση της πλάνης και της φρέζας Εικόνα Τυποποιημένα εξαρτήματα εργαλειομηχανής της εποχής Οι πρώτες πλάνες για μεταλλικές επιφάνειες κατασκευάστηκαν περί το 1800 στην Αγγλία. Το μηχάνημα αυτό είναι ίδιο με το αντίστοιχο ξυλουργικό, μόνο που το εργαλείο πρέπει να έχει σημαντική ανθεκτικότητα για να πλανίζει μεταλλικές επιφάνειες. Στις πρώτες δεκαετίες του 19ου αιώνα κατασκευάστηκαν μεγάλες πλάνες στην Αγγλία, την Αμερική και τη Γερμανία, με τις οποίες πραγματοποιήθηκαν σημαντικές μεταλλικές κατασκευές. Λόγω της πολύπλοκης κατασκευής της φρέζας και της σχετικά μεγάλης ακρίβειας ανοχών που απαιτείται για την ικανοποιητική λειτουργία της, η φρέζα είναι σχετικά σύγχρονη μηχανή η οποία κατασκευάστηκε για πρώτη φορά το 1818 και χρησιμοποιήθηκε στην αρχή για την κατασκευή όπλων στις Ηνωμένες Πολιτείες. 13

16 Η ραγδαία εξέλιξη των εργαλειομηχανών έδωσε τη δυνατότητα, αφενός για μαζική παραγωγή τυποποιημένων προϊόντων, αφετέρου για ακριβείς κατασκευές, με αποτέλεσμα να αρχίσουν να προσφέρονται στην αγορά τεχνολογικά προϊόντα σε όλο και χαμηλότερες τιμές. Οι αυξημένες πωλήσεις οδηγούσαν σε υψηλά έσοδα, τα οποία σε μεγάλο βαθμό επενδύονταν σε όλο και καλύτερες μηχανές κ.ο.κ. Αυτή η συνεχής κλιμάκωση οδήγησε τις επινοήσεις και την παραγωγή σε ένα απρόβλεπτα υψηλό σημείο. Πέρα απ' αυτά, η ακρίβεια των εργαλειομηχανών διευκόλυνε την παραγωγή ήδη κατά το 19ο αιώνα υψηλής ποιότητας λεπτομηχανικών κατασκευών, όπως όργανα μετρήσεως, ρολόγια, βελτιωμένα μουσικά όργανα, μικρά όπλα κ.ά. 1.4 Η εξέλιξη των Εργαλειομηχανών στον 20 ο αιώνα Στις αρχές του 20 ου αιώνα οι εργαλειομηχανές συνέχιζαν να εξελίσσονται σταθερά έτσι ώστε να καλύπτουν τις όλο και μεγαλύτερες απαιτήσεις των ανθρώπων. Αξίζει να σημειωθεί ότι την πρώτη δεκαετία του αιώνα αυτού, ένα αμερικάνικο μαγαζί με είδη εργαλειομηχανών, περιείχε τα βασικά μηχανικά εργαλεία, τα οποία δεν διαφέρουν και πολύ στη μορφή και τη λειτουργία τους από εκείνα που χρησιμοποιούνται σήμερα Η ανάγκη για αυξημένη βιομηχανική παραγωγή Η κατασκευή αυτοκινήτων αρχικά στην Αγγλία και έπειτα στις ΗΠΑ λειτούργησε σαν κινητήρια δύναμη στην ανάπτυξη καλύτερων εργαλείων. Στα τέλη του 19 ου αιώνα και στις αρχές του 20 ου η αυτοκινητοβιομηχανία γνώρισε μεγάλη άνθηση καθώς από τα οχήματα με την ογκώδη ατμομηχανή περάσαμε στους πρώτους βενζινοκίνητους κινητήρες (Otto και Langen, το έτος 1884). Εκείνη την περίοδο λοιπόν υπήρχαν πολλοί κατασκευαστές αυτοκινήτων, παρόλο που ο κόσμος της εποχής εκείνης ήταν κάπως διστακτικός όσο αναφορά τη χρησιμότητα του νέου μέσου μεταφοράς. Η δυσπιστία αυτή αρχίζει να κάμπτεται στα 1906, όπου το Σαν Φραντσίσκο πλήττεται από έναν μεγάλο σεισμό. Εκεί φάνηκε η τεράστια σημασία μιας «μηχανικής άμαξας», όταν τα άλογα είχαν σκοτωθεί ή τραυματιστεί μαζί με πάρα πολλούς ανθρώπους ή, ακόμα, πολλά είχαν διαφύγει τρομαγμένα από τους περίεργους προσεισμικούς θορύβους. Οι Αμερικάνοι άρχισαν να αντιλαμβάνονται, με την κατάλληλη προβολή και από τις εφημερίδες της εποχής βέβαια, ότι το αυτοκίνητο ήταν, πέρα από μέσο ψυχαγωγίας και ένα σημαντικό εργαλείο δουλειάς. Την ίδια περίοδο λοιπόν (1906), εμφανίζεται στο προσκήνιο και ο Henry Ford (Φορντ, ), ο οποίος από τα μέσα της δεκαετίας του 1890 ήταν ένας από τους πολλούς κατασκευαστές αυτοκινήτων. Το 1906 άρχισε να λειτουργεί το εργοστάσιο του Φορντ και να παράγει λίγα μοντέλα αυτοκινήτων σε μεγάλους αριθμούς. Η μεγάλη επιτυχία του οφείλεται στην τυποποίηση των εξαρτημάτων που καθιέρωσε, με αποτέλεσμα να μειωθεί σημαντικά το κόστος παραγωγής. Όταν το έτος 1908 η εταιρία Ford άρχισε να κατασκευάζει μόνο έναν τύπο αυτοκινήτου, το Model T, η τυποποίηση και ορθολογικοποίηση της παραγωγής έφτασε σε πολύ 14

17 υψηλό επίπεδο, με αποτέλεσμα να μειωθούν ακόμα περισσότερο το κόστος παραγωγής και η τιμή των αυτοκινήτων. Το μοντέλο αυτό ήταν από τα καλύτερα αυτοκίνητα εκείνης της εποχής και διέθετε κυβισμό cm 3 με ισχύ 24 PS. Με τα σημαντικά κέρδη από τις πωλήσεις του Model T ο Φορντ άνοιξε το έτος 1910 τη μονάδα παραγωγής Highland Park στο Detroit, η οποία αποτέλεσε το πρότυπο ορθολογικής και τυποποιημένης παραγωγής για πολλές δεκαετίες του 20 ου αιώνα. Σε συνεργασία με εταιρίες εργαλειομηχανών κατασκευάστηκαν ειδικές μηχανές, οι οποίες εκτελούσαν ένα μοναδικό βήμα παραγωγής, αλλά αυτό με πολύ μεγάλη ακρίβεια, υψηλή ποιότητα προϊόντος και ταχύτητα διεκπεραίωσης. Με ειδικά όργανα μετρήσεως που αναπτύχθηκαν για κάθε εφαρμογή επί τούτου, ελέγχονταν όλα τα εξαρτήματα ως προς την τήρηση των προδιαγραφών και, αν αυτό δεν συνέβαινε, απορρίπτονταν αυτά τα εξαρτήματα, χωρίς καμία δυνατότητα επιδιόρθωσης ή συμπληρωματικής εργασίας. Με αυτό τον τρόπο κατάφερε η εταιρία Ford να μειώσει μέσα σε 8 χρόνια, από το 1908 μέχρι το 1916, την τιμή του αυτοκινήτου από 850 σε 360 δολάρια, αυξάνοντας την παραγωγή από σε αυτοκίνητα. Μέχρι το 1940 η εταιρία είχε κατασκευάσει σχεδόν 28 εκατομμύρια αυτοκίνητα [2]. Εικόνα Το αυτοκίνητο Model T της Ford Εικόνα Henry Ford Βάση των προαναφερθέντων βλέπουμε ότι αυτόν τον αιώνα οι πρώτες απλές και μικρής ακρίβειας εργαλειομηχανές, που εφευρέθηκαν τον προηγούμενο αιώνα (19 ο αιώνα), εξελίσσονται, καθώς επίσης κατασκευάζονται και νέες εργαλειομηχανές, για να καλύψουν τις νέες αυξημένες παραγωγικές ανάγκες του ανθρώπου. Είναι λοιπόν εμφανές ότι, πέρα από τους καθαρά τεχνολογικούς συντελεστές, οργανωτικοί, λειτουργικοί και ανθρώπινοι παράγοντες επηρέασαν ολοένα και πιο πολύ την εξέλιξη, καθώς και τις τάσεις σχεδίασης και ανάπτυξης των εργαλειομηχανών. Οι κύριοι συντελεστές της εξέλιξης των εργαλειομηχανών τον 20 ο αιώνα μπορούν να συνοψιστούν στους παρακάτω: 15

18 1.4.2 Τα υλικά των κοπτικών εργαλείων Η συνεχής βελτίωση των ιδιοτήτων των υλικών για κοπτικά εργαλεία επέδρασε δραστικά στην εξέλιξη των εργαλειομηχανών. Αυτό επέτρεψε τη χρησιμοποίηση όλο και υψηλότερων ταχυτήτων κοπής (Σχήμα 1), με αποτέλεσμα να έχουμε ανάλογη αύξηση των περιστροφικών ταχυτήτων και αναμφίβολα της ισχύς της εργαλειομηχανής (έστω και χωρίς αύξηση της θεωρητικής διατομής του αποβλήτου). Εικόνα 1.13 Διαχρονική εξέλιξη υλικών για κοπτικά εργαλεία με κριτήριο την ταχύτητα κοπής. 1. ανθρακούχος χάλυβας, 2. ταχυχάλυβας, 3. σκληρομέταλλο, 4. κεραμευτικά πυριμάχων οξειδίων, 5. περιβάλλουσα Η ακρίβεια κατασκευής Παράλληλα με τις αυξανόμενες απαιτήσεις σε ισχύ και σε περιστροφικές ταχύτητες, γίνονται επιτακτικές οι απαιτήσεις για αύξηση της ακρίβειας της μορφοποίησης (διαστάσεις και μορφή), που οφείλουν να δίνουν οι εργαλειομηχανές. Ενδεικτικά αναφέρω ότι η επιζητούμενη ακρίβεια την εποχή του J. Watt ήταν της τάξεως των 2000 μm, σήμερα όμως είναι δυνατή η επίτευξη διαστατικής ακρίβειας κάτω του ενός μm. Η απαιτούμενη ακρίβεια κατασκευής μαζί με τις αυξημένες ταχύτητες κοπής και την ισχύ έδρασαν αποφασιστικά στην ανάπτυξη των δομικών (βάση, κλίνη, ορθοστάτες κ.λπ.) αλλά και λειτουργικών (κιβώτια ταχυτήτων, άτρακτος, ολισθητήρες κ.λπ.) στοιχείων της εργαλειομηχανής, καθώς επίσης και συναφών μετρολογικών οργάνων και μεθόδων. Επιπρόσθετα, άρχισε να δίνεται μεγάλη σημασία στη διαμόρφωση 16

19 στιβαρών εργαλειομηχανών ως δομικών συνόλων και παράλληλα στη δυναμική μελέτη της συμπεριφοράς τους Μέθοδοι και όργανα μετρήσεως Τον αιώνα αυτό επίσης αναπτύσσονται μέθοδοι και συναφή όργανα για μετρήσεις επάνω στην εργαλειομηχανή (ή σε πρότυπα υπό κλίμακα). Οι μετρήσεις αυτές λαμβάνουν χώρα κατά τη διάρκεια σχεδίασης και κατασκευής της εργαλειομηχανής, καθώς επίσης και όταν είναι έτοιμη για παράδοση η εργαλειομηχανή. Οι μετρήσεις αυτές αφορούν τα πεδία της ακρίβειας κατασκευής, των αναπτυσσόμενων δυνάμεων, των τάσεων παραμόρφωσης και θερμοκρασιών, της δυναμικής συμπεριφοράς της εργαλειομηχανής κ.λπ. Για να επιτευχθούν αυτές οι μετρήσεις τον 20 ο αιώνα κατασκευάστηκαν νέα όργανα μέτρησης, που παρουσίαζαν μεγαλύτερη ακρίβεια, και βέβαια επινοήθηκαν και νέες μέθοδοι μέτρησης, σύμφωνη με τα νέα όργανα. Έτσι μπορούσε να αναλυθεί και να αξιολογηθεί σωστά για το εάν μια εργαλειομηχανή είναι αποδοτική και κατάλληλη για την εργασία που κατασκευάζεται ακόμη και από το στάδιο της σύλληψης και σχεδίασής της Η αυτοματοποίηση στις εργαλειομηχανές Σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη των εργαλειομηχανών έπαιξε και η ανάγκη οικονομικότερης (χαμηλότερου κόστους) μηχανουργικής παραγωγής, κάτι που έχει άμεση σχέση με την αυτοματοποίηση της παραγωγής. Ο βαθμός αυτοματοποίησης των εργαλειομηχανών αυξάνεται σταδιακά κατά τη διάρκεια του 20 ου αιώνα δημιουργώντας ένα φάσμα εργαλειομηχανών με διαφορετικό βαθμό αυτοματοποίησης για την κάλυψη των ποικίλων απαιτήσεων των εφαρμογών. Έτσι, στη διάρκεια του 20 ου αιώνα, από τις εργαλειομηχανές γενικής χρήσεως μεταβαίνουμε σε εργαλειομηχανές μίας χρήσεως και τελικά σε αυτοματοποιημένες σειρές εργαλειομηχανών για μαζική παραγωγή. Οι ανάγκες για αυτοματοποίηση των μηχανών οδήγησαν στην ανάπτυξη μεθόδων ελέγχου (καθοδήγησης και ρύθμισης), δηλαδή από τον καθαρά μηχανικό έλεγχο (οδηγητικές καμπύλες, έκκεντρα κ.α.) περνάμε στον υδραυλικό, πνευματικό, ηλεκτρικό ηλεκτρονικό και σε συνδυασμούς τους. Από τα μέσα της δεκαετίας του 1960, παρατηρήθηκε μεγάλη ανάπτυξη στην ηλεκτρονική επεξεργασία πληροφοριών η οποία έδωσε μεγάλη ώθηση σε μια ευρύτερη χρησιμοποίηση του αυτοματισμού στις εργαλειομηχανές. Όπως είναι αναμενόμενο, με την πάροδο των χρόνων ο αυτοματισμός στις εργαλειομηχανές αναπτύσσεται, με αποτέλεσμα να φτάσει, στα τέλη του αιώνα αυτού, στην ανάπτυξη, παραγωγή και χρησιμοποίηση βελτιωμένων τύπων εργαλειομηχανών με ψηφιακή καθοδήγηση, όπως και σε αυτοματοποιημένα συστήματα ελέγχου της μηχανουργικής παραγωγής. Τον αιώνα αυτό δημιουργούνται και διατίθενται από ειδικές βιβλιοθήκες έτοιμα προγράμματα ηλεκτρονικού υπολογιστή, τα οποία διευκολύνουν τη σχεδίαση των 17

20 εργαλειομηχανών (στατική και δυναμική των διαφόρων στοιχείων της και της εργαλειομηχανής ως σύνολο). Κατά τη διάρκεια του 20 ου αιώνα, διαπιστώνουμε ότι οι σχεδιαστές μηχανικοί ασχολούνται περισσότερο με καινοτομίες και βελτιώσεις σε δομικά και λειτουργικά στοιχεία των εργαλειομηχανών και λιγότερο με τη σύλληψη και πραγματοποίηση νέων κινηματικών αρχών. Αυτό, μπορεί να οφείλεται στο γεγονός ότι οι υπάρχουσες από το 19 ο αιώνα εργαλειομηχανές, υπήρξαν το αποτέλεσμα μιας φυσικής διεργασίας και η εξέλιξη τους αφορούσε μόνο καθιερωμένα είδη εργαλειομηχανών, και μάλιστα, σε ότι αφορά στοιχεία τους και όχι βασικά χαρακτηριστικά σύλληψης και σχεδίασης. Η ενασχόληση των σχεδιαστών μηχανικών με την βελτίωση των υπαρχουσών εργαλειομηχανών οδήγησε στην εμφάνιση εργαλειομηχανών πολλαπλών κατεργασιών με ψηφιακή καθοδήγηση οι οποίες δεν είναι τίποτε άλλο, παρά συνδυασμοί συμβατικών εργαλειομηχανών, συνήθως τόρνου εσωτερικής τόρνευσης, φραιζομηχανής και δράπανου με αυτόματα μετακινούμενο εργαλειοφορέα ή και με άλλες δυνατότητες αυτοματισμού. Έτσι, περίπου στα μέσα του 20 ου αιώνα, οι εργαλειομηχανές αρχίζουν να αυτοματοποιούνται περισσότερο μειώνοντας έτσι την επέμβαση του ανθρώπου χειριστή στη διαδικασία της κατεργασίας. Ταυτόχρονα, στα μισά του 20 ου αιώνα, εμφανίζονται δειλά δειλά οι πρώτες εργαλειομηχανές αριθμητικού ελέγχου (NC), με τις οποίες βέβαια θα ασχοληθούμε εκτενέστερα σε επόμενο κεφάλαιο της παρούσας πτυχιακής εργασίας (Κεφάλαιο 3). Η αυτοματοποίηση αυτή των εργαλειομηχανών οδήγησε στην παύση της παραγωγής της οριζόντιας βραχείας πλάνης. Οι εργασίες που πραγματοποιούνταν στην οριζόντια βραχεία πλάνη άρχισαν, κάτι που συμβαίνει κατά κόρον σήμερα, να πραγματοποιούνται από σύγχρονα CNC κέντρα κατεργασίας με βάση τη φρέζα Στάδια εξέλιξης μηχανουργικού τόρνου. (Ενδεικτική αναφορά) Κλείνοντας αυτό το κεφάλαιο, έχοντας σαν στόχο την κατανόηση της εξέλιξης των εργαλειομηχανών κατά τη διάρκεια του 20 ου αιώνα, θα χρησιμοποιήσουμε σαν ενδεικτικό παράδειγμα τον κοινό μηχανουργικό τόρνο και τις αλλαγές- βελτιώσεις του τον αιώνα αυτό [5]. 1906: Ο τόρνος παρουσιάζει μια λεπτή ανοικτή μορφή πλαισίου και η μετάδοση της περιστροφικής κίνησης στην άτρακτο δίνεται με ιμαντοκίνηση και σε πολύ περιορισμένο αριθμό βημάτων. 1925: Στον τόρνο έχει προστεθεί ένας ξεχωριστός ηλεκτροκινητήρας με ξεχωριστό κιβώτιο (με οδοντοτροχούς), κάτι που δίνει αυτοδυναμία στην εργαλειομηχανή. 18

21 1960: Ο τόρνος παρουσιάζει κλειστή μορφή πλαισίου με προφανώς βελτιωμένη στιβαρότητα. Επίσης, είναι δυνατόν να διαθέτει μια διάταξη αντιγραφής καθώς επίσης και άλλα στοιχεία μηχανικού, υδραυλικού και ηλεκτρονικού ελέγχου. 1977: Η σχεδίαση ενός τόρνου δεν παρουσιάζει σοβαρές διαφορές στη δομή του από εκείνον του Οι χειρισμοί και ο έλεγχος των λειτουργικών κινήσεων της εργαλειομηχανής εκτελούνται με πλήκτρα που βρίσκονται στον πίνακα χειρισμού, και ο τόρνος αυτός είναι δυνατόν να λειτουργεί και με ψηφιακή καθοδήγηση. Συνοψίζοντας, παρατηρούμε ότι οι συμβατικές εργαλειομηχανές παίρνουν τη σημερινή τους μορφή κατά τη διάρκεια του 20 ου αιώνα. Στο επόμενο κεφάλαιο που ακολουθεί, θα ασχοληθούμε λεπτομερώς με τις συμβατικές εργαλειομηχανές, αναφέροντας κάποια γενικά στοιχεία για αυτές και αναλύοντας τέσσερις βασικές συμβατικές εργαλειομηχανές (τόρνο, πλάνη, φραιζομηχανή και δράπανο) ως προς τη δομή, τη λειτουργία, την χρησιμότητα και την αποτελεσματικότητα τους. 19

22 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Οι Συμβατικές Εργαλειομηχανές του σήμερα 2.1 Γενικά για τις Εργαλειομηχανές Την εργαλειομηχανή επεξεργασίας μετάλλου (είναι δυνατή και η επεξεργασία ορισμένων μη μεταλλικών υλικών) την ορίζουμε ως μια στατική μηχανή, που τροφοδοτείται με την αναγκαία για την λειτουργία της ισχύ αυτοδύναμα (από ένα ή περισσότερους ηλεκτροκινητήρες), στην οποία η μορφοποίηση του μετάλλου (μέσα σε καθορισμένα όρια διαστατικής ακρίβειας, ακρίβειας μορφής και βαθμού τραχύτητας επιφάνειας) πραγματοποιείται με κοπή, με διαμόρφωση ή με τη βοήθεια μη συμβατικών κατεργασιών ή και με συνδυασμούς τους. Για αυτό το λόγο, οι μηχανές χύτευσης και συγκόλλησης δεν ανήκουν στην κατηγορία των εργαλειομηχανών. Οι εργαλειομηχανές αποτελούν το κύριο μέσο της μηχανουργικής παραγωγής και το κόστος κατασκευής τους αποτελεί ένα σημαντικό μέρος της συνολικής αξίας κατασκευής μηχανημάτων εν γένει. Στην εικόνα που ακολουθεί (Εικόνα 2.1) παρουσιάζονται σχηματικά τα μέρη που αποτελούν έναν απλό διαμήκη τόρνο και μια οριζόντια φραιζομηχανή, καθώς και τη ροή της κίνησης στις εργαλειομηχανές αυτές. Ε Eικόνα 2.1 Τα κύρια μέρη : α) Ενός τόρνου γενικής χρήσεως και β) μιας οριζόντιας φραιζομηχανής. (ΗΚ ηλεκτροκινητήρας, Α δομικά στοιχεία, Β στοιχεία μεταδόσεως κίνησης, Γ συσκευή συγκρατήσεως κομματιών, Δ συσκευή συγκρατήσεως εργαλείων, Ε στοιχεία ελέγχου). Ειδικότερα έχουμε: 20

23 a) Τα δομικά στοιχεία της εργαλειομηχανής, δηλαδή το σώμα της (βάση, κλίνη, κορμός ή ορθοστάτης ή στήλη), την κεφαλή, την τράπεζα μαζί με τα συναφή λειτουργικά στοιχεία, δηλαδή τα διάφορα φορεία, τους απαραίτητους ολισθητήρες (ευθυντήριες ή γλίστρες) στο σώμα της και στα φορεία ή στην τράπεζα, καθώς επίσης και την κύρια άτρακτο με τα έδρανά της. b) Τα στοιχεία μεταδόσεως κίνησης. Είναι μηχανισμοί που πραγματοποιούν την πρωτεύουσα κίνηση και την κίνηση προώσεως της εργαλειομηχανής (όπως είναι το κιβώτιο ταχυτήτων και το κιβώτιο προώσεως αντίστοιχα), μηχανισμοί για την μετατροπή της περιστροφικής κίνησης σε παλινδρομική, καθώς και διατάξεις περιοδικής ή διακοπτόμενης κίνησης ή μηχανισμοί για την υλοποίηση βοηθητικών κινήσεων. c) Τα ποικίλα εξαρτήματα, συσκευές και διατάξεις για την πρόσδεση των κοπτικών εργαλείων και των κομματιών προς κατεργασία. d) Τέλος έχουμε τα στοιχεία ελέγχου των διαφόρων λειτουργιών της εργαλειομηχανής (κινήσεις βασικές και βοηθητικές, έναρξη και παύση λειτουργίας κ.λπ.) και τα στοιχεία προστασίας από βλάβες και ατυχήματα. Τα στοιχεία ελέγχου είναι τα στοιχεία καθοδήγησης (μηχανική, υδραυλική, πνευματική, ηλεκτρική, ηλεκτρονική καθώς και ψηφιακή) και ρύθμισης της εργαλειομηχανής. Πέρα όμως από τα κύρια μέρη που αναφέραμε παραπάνω, οι εργαλειομηχανές κοπής είναι εφοδιασμένες, αναλόγως την περίπτωση, με σύστημα παροχής υγρού κοπής, με σύστημα λιπάνσεως και με διάφορα ακόμη παρελκόμενα και εξαρτήματα Ταξινόμηση των εργαλειομηχανών Στη μηχανουργική πράξη συναντάμε μεγάλη ποικιλία στα είδη των εργαλειομηχανών και επιπλέον πληθώρα τύπων στο είδος αυτό. Για αυτό το λόγο, προκύπτει η ανάγκη κατατάξεως των εργαλειομηχανών ανάλογα με τα οφέλη που αποκομίζουμε. Η ταξινόμηση των εργαλειομηχανών γίνεται βάση ορισμένων κριτηρίων τα οποία θα αναφερθούν παρακάτω [5] Κατάταξη ως προς το είδος της κατεργασία Είναι η κλασσική κατάταξη που κάνουν στις εργαλειομηχανές, σύμφωνα με τη βασική κατεργασία κοπής, για την οποία η κάθε μία από αυτές είναι μελετημένη, σχεδιασμένη και κατασκευασμένη. Έτσι έχουμε [6]: a) Για την τόρνευση τον τόρνο. b) Για τη διάτρηση το δράπανο. c) Για το πλάνισμα επίπεδων επιφανειών την πλάνη. d) Για το πλάνισμα μικρών αντικειμένων και το φραιζάρισμα τη φραιζομηχανή και 21

24 e) Για τη λείανση το λειαντικό μηχάνημα κ.α. Τις κλασσικές αυτές εργαλειομηχανές είναι δυνατό να τις συναντήσουμε είτε ως εργαλειομηχανές γενικής χρήσεως, είτε ως ειδικές εργαλειομηχανές Κατάταξη ως προς το είδος της πρωτεύουσας κίνησης Α. Εργαλειομηχανές με περιστροφική την πρωτεύουσα κίνηση: α) Τόρνοι: - Οριζόντιοι - Κατακόρυφοι - Πυργωτοί (ή revolver με περιστρεφόμενο εργαλειοφορέα πολλών εργαλείων) ημιαυτόματοι ή αυτόματοι, μονοάτρακτοι ή πολυάτρακτοι - Σπειροτομησεώς β) Δράπανα: - Κατακόρυφα - Οριζόντια - Ακτινωτά ή ράντιαλ - Ημιαυτόματα (μονοάτρακτα ή πολυάτρακτα) γ) Φραιζομηχανές: - Οριζόντιες - Κατακόρυφες - Αντιγραφής (παντογράφοι) δ) Φραιζοδράπανα ε) Λειαντικά μηχανήματα: - Επίπεδων επιφανειών (με παλινδρομούσα ή περιστρεφόμενη τράπεζα) - Κυλινδρικών επιφανειών (εξωτερικών ή εσωτερικών) - Άκεντρης λειάνσεως - Οδοντώσεων - Σπειρωμάτων - Ειδικά (π.χ. στροφαλοφόρων αξόνων) - Τροχιστικά (κυρίως κοπτικών εργαλείων) στ) Εργαλειομηχανές Honning (Honning: κατεργασία που είναι υπεύθυνη για την απόδοση καλύτερων επιφανειών, η οποία πραγματοποιείται αποκλειστικά με συνεργαζόμενους τροχούς [7]) και Lapping (Lapping: χρησιμοποιώντας κοπτικό εργαλείο για lapping επιτυγχάνεται η αφαίρεση πολύ μικρών σωματιδίων μετάλλου που βρίσκονται στην επιφάνεια του οδόντος μετά τη θερμική του κατεργασία [7]) 22

25 ζ) Εργαλειομηχανές απόξησης οδοντοτροχών η) Εργαλειομηχανές κοπής οδοντώσεων (γραναζοκόπτες): - Μετωπικών οδοντωτών τροχών με ίσα ή ελικοειδή δόντια με τη μέθοδο περιφερικού φραιζαρίσματος κύλισης (Hobbing: αποτελεί σήμερα τον πιο διαδεδομένο και έναν από τους ταχύτερους τρόπους κατασκευής οδοντωτών τροχών. Ο κοπτήρας Hob έχει τη μορφή είτε επάλληλων κανόνων προσδεμένων στην εξωτερική περιφέρεια κυλίνδρου, είτε τη μορφή ατέρμονα κοχλία αποτελούμενου από κοπτικά δόντια [7]) - Κωνικών οδοντοτροχών με ευθεία οδόντωση με χρησιμοποίηση δισκοειδών κοπτήρων και υποειδών οδοντοτροχών. θ) Εργαλειομηχανές αποκοπής: - Τόρνοι αποκοπής - Λειαντικά μηχανήματα αποκοπής - Περιστροφικά πριόνια Β. Εργαλειομηχανές με ευθύγραμμη την πρωτεύουσα κίνηση: α) Πλάνες: - Οριζόντιες βραχείες πλάνες ή ταχυπλάνες, οι οποίες, όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, αντικαταστάθηκαν από CNC κέντρα κατεργασίας με βάση τη φρέζα. - Τραπεζόπλανες (με ένα ή δύο ορθοστάτες) - Κατακόρυφες βραχείς πλάνες β) Εργαλειομηχανές αυλακώσεως ή διανοίξεως (μηχανήματα Broaching: η μέθοδος αυτή συνήθως χρησιμοποιείται στη δημιουργία εσωτερικών οδοντώσεων όπου όλα τα δόντια υφίστανται ταυτόχρονη κατεργασία. Η συγκεκριμένη μέθοδος εξασφαλίζει μεγάλη ταχύτητα κατεργασίας και άρα τη δυνατότητα για μαζική παραγωγή [7]) οριζόντιες ή κατακόρυφες γ) Εργαλειομηχανές κοπής οδοντώσεων (γραναζοκόπτες) - Μετωπικών οδοντοτροχών με ευθεία ή ελικοειδή οδόντωση με πλάνισμα κυλίσεως (το κοπτικό εργαλείο μπορεί να είναι οδοντοτροχός, που παλινδρομεί ευθύγραμμα ή οδοντωτός κανόνας) - Κωνικών οδοντοτροχών με ευθεία οδόντωση μορφοποιημένη με ζεύγος παλινδρομούντων απλών κοπτικών εργαλείων. δ) Εργαλειομηχανές αποκοπής - Παλινδρομικά πριόνια 23

26 Διάκριση ως προς το βαθμό εξειδίκευσης Α. Εργαλειομηχανές γενικής χρήσεως: Ονομάζονται έτσι οι εργαλειομηχανές που είναι κατασκευασμένες να εκτελούν πολλά είδη εργασιών της κατηγορίας τους σε ποικιλία από τεμάχια σε ότι αφορά το μέγεθος και τη μορφή τους. Οι εργαλειομηχανές αυτές χρησιμοποιούνται κυρίως στην παραγωγή κατά μονάδα και κατά μικρές παρτίδες, καθώς επίσης και για επισκευαστικές εργασίες. Μία τυπική εργαλειομηχανή γενικής χρήσεως είναι ένας συνήθης μηχανουργικός τόρνος, όπου σε αυτόν μπορούμε να κατεργαστούμε εσωτερικές ή εξωτερικές κυλινδρικές επιφάνειες, κωνικές επιφάνειες, να κόψουμε σπείρωμα κ.α. Β. Ειδικές εργαλειομηχανές: Έτσι ονομάζονται οι εργαλειομηχανές οι οποίες εκτελούν αποκλειστικά μία μόνο καθορισμένη εργασία. Ένας γραναζοκόπτης ή ένα λειαντικό μηχάνημα οδοντώσεων είναι τυπικά παραδείγματα ειδικών εργαλειομηχανών. Γ. Αυστηρά εξειδικευμένες εργαλειομηχανές: Έτσι χαρακτηρίζονται οι εργαλειομηχανές που είναι μελετημένες μόνο για την εκτέλεση ορισμένης φάσης κατεργασίας σε ορισμένο τεμάχιο. Οι ειδικές και οι αυστηρά εξειδικευμένες εργαλειομηχανές βρίσκουν εφαρμογή στην παραγωγή κατά παρτίδες μεγάλου μεγέθους και στη μαζική παραγωγή. Δ. Σειρά εργαλειομηχανών ή εργαλειομηχανές μεταφοράς: Είναι συγκροτήματα εργαλειομηχανών όπου το ακατέργαστο κομμάτι, μεταφέρεται, κατεργάζεται και ελέγχεται (όπου απαιτείται έλεγχος) από εργαλειομηχανή σε εργαλειομηχανή και παραδίδεται τελικά έτοιμο. Τέτοια συγκροτήματα εργαλειομηχανών χρησιμοποιούνται στη ροϊκή παραγωγή. Ε. Εργαλειομηχανές πολλαπλών κατεργασιών: Είναι σύνθετες εργαλειομηχανές, ως επί το πλείστον ψηφιακά καθοδηγούμενες, με δυνατότητα εκτελέσεως πολλών διαφορετικών κατεργασιών σε περίπλοκα συνήθως τεμάχια Κατάταξη ανάλογα με την ακρίβεια της κατεργασίας Α. Εργαλειομηχανές συνήθους ακρίβειας (standard): Σε αυτές ανήκουν οι γενικής χρήσεως εργαλειομηχανές. Β. Εργαλειομηχανές ακρίβειας άνω της συνήθους στάθμης (above standard): Κατασκευάζονται με τις ίδιες προδιαγραφές των εργαλειομηχανών συνήθους ακρίβειας, με τη διαφορά ότι οι απαιτήσεις ακρίβειας ορισμένων κρίσιμων τεμαχίων είναι μεγαλύτερες. Επίσης, η ποιότητα συναρμολόγησης των εργαλειομηχανών αυτών, όπως και η εκτέλεση των αναγκαίων ρυθμίσεων είναι ανώτερη. 24

27 Γ. Εργαλειομηχανές μεγάλης ακρίβειας (high accuracy): Κρίσιμα μέρη αυτών των εργαλειομηχανών σχεδιάζονται και κατασκευάζονται βάσει προτύπων υψηλού βαθμού ακρίβειας. Εφαρμόζονται στενές ανοχές για όλα τα εξαρτήματα της εργαλειομηχανής, καθώς επίσης και για τη συναρμολόγηση και ρύθμισή της σαν σύνολο. Δ. Εργαλειομηχανές μεγάλης ακρίβειας (precision): Σε αυτή τη κατηγορία συγκαταλέγονται εργαλειομηχανές όπου οι απαιτήσεις ακρίβειας είναι ακόμη μεγαλύτερες από εκείνες των εργαλειομηχανών ακριβείας. Ε. Εργαλειομηχανές υψίστης ακριβείας (high precision ή master): Με τη βοήθειά τους μορφοποιούνται εξαρτήματα, που χρησιμοποιούνται και καθορίζουν την ακρίβεια των εργαλειομηχανών στάθμης ακριβείας (Γ) και (Δ). Οι εργαλειομηχανές που ανήκουν στις τρεις τελευταίες κατηγορίες εγκαθίστανται σε κατάλληλα κλιματισμένους χώρους, όπου διατηρούνται σταθερές η θερμοκρασία και η σχετική υγρασία, και επίσης, λαμβάνονται μέτρα προστασίας των χώρων αυτών έναντι διεισδύσεως σκόνης Κατάταξη ανάλογα με τη μορφή των κατεργασμένων επιφανειών Α. Εργαλειομηχανές κατεργασίας επίπεδων επιφανειών, όπως είναι οι πλάνες, οι φραιζομηχανές, τα λειαντικά μηχανήματα επίπεδων επιφανειών κ.α. Β. Εργαλειομηχανές κατεργασίας κυλινδρικών επιφανειών, όπως είναι οι τόρνοι, τα δράπανα, τα λειαντικά μηχανήματα κυλινδρικών επιφανειών κ.λπ. Γ. Εργαλειομηχανές κατεργασίας επιφανειών με ειδική μορφή. Σε αυτή τη κατηγορία ανήκουν οι γραναζοκόπτες, η φραιζομηχανή αντιγραφής, τα λειαντικά μηχανήματα οδοντώσεων, οι εργαλειομηχανές σπειροτόμησης κ.λπ Κατάταξη ως προς το βάρος τους Με βάση το κριτήριο αυτό οι εργαλειομηχανές διακρίνονται σε τρεις κατηγορίες: - τις ελαφρές, συνήθως με βάρος έως έναν τόννο, - τις βαριές, με βάρος ανώτερο των δέκα τόννων και - τις εργαλειομηχανές μεσαίου βάρους, με βάρος ανώτερο του ενός τόννου και μικρότερο των δέκα τόννων [5] Κατάταξη ως προς το βαθμό αυτοματισμού Βάση αυτού του κριτηρίου οι εργαλειομηχανές διακρίνονται σε κοινές, ημιαυτόματες και αυτόματες εργαλειομηχανές. Ημιαυτόματη ονομάζεται η εργαλειομηχανή, στην οποία οι απαιτούμενες κινήσεις για την κατεργασία ενός κομματιού (πρωτεύουσες και κινήσεις πρόωσης, όπως και 25

28 οποιεσδήποτε άλλες βοηθητικές κινήσεις) γίνονται αυτόματα, χωρίς δηλαδή να επέμβει ο χειριστής. Στο τέλος της κατεργασίας του κομματιού η εργαλειομηχανή σταματάει αυτόματα, όμως για να επαναληφθεί η κατεργασία άλλου όμοιου κομματιού, θα πρέπει ο χειριστής να αποσύρει από την εργαλειομηχανή το έτοιμο κομμάτι, να τοποθετήσει ένα ακατέργαστο κομμάτι και να ξεκινήσει εκ νέου την εργαλειομηχανή. Στην αυτόματη εργαλειομηχανή, εκτός από τις αυτόματες κινήσεις που χαρακτηρίζουν την ημιαυτόματη εργαλειομηχανή, εκτελείται αυτόματα και η αφαίρεση του έτοιμου κομματιού, καθώς και η τοποθέτηση του ακατέργαστου κομματιού Κατασκευαστικές απαιτήσεις των εργαλειομηχανών Μια εργαλειομηχανή πρέπει να καλύψει πολύ αυστηρές απαιτήσεις, οι οποίες είναι άμεσα συνδεδεμένες με την ποιότητα κατασκευής της αλλά και το συνακόλουθο κόστος της. Οι απαιτήσεις αυτές αφορούν [5]: - Την ακρίβεια (γεωμετρική και κινηματική) σε στατική, δυναμική και θερμική καταπόνηση. - Τη μηχανική αντοχή (ένταση και παραμόρφωση). - Τον αυτοματισμό. - Τη παραγωγικότητα. - Την ασφάλεια. - Τη περιβαλλοντολογική συμπεριφορά. Πιο συγκεκριμένα, κάθε εργαλειομηχανή, σε συνδυασμό βέβαια και με την αντίστοιχη κατεργασία που εκτελεί, πρέπει να καλύπτει τις παρακάτω απαιτήσεις: α) Να είναι σε θέση να αποδίδει σταθερά και όσο γίνετε ανεξάρτητα από τη δεξιότητα του τεχνίτη χειριστή και μέσα σε καθορισμένα όρια, την επιθυμητή ακρίβεια διαστάσεων και μορφής των παραγόμενων τεμαχίων, αλλά και τον επιζητούμενο βαθμό τραχύτητας των κατεργασμένων επιφανειών τους. β) Ταυτόχρονα με την κάλυψη των απαιτήσεων της ποιότητας του τεμαχίου, μια εργαλειομηχανή πρέπει να εξασφαλίζει και υψηλή παραγωγικότητα, μέσω κατάλληλης εκλογής των λειτουργικών της ταχυτήτων (ταχύτητα κοπής κ ταχύτητα πρόωσης) και του βάθους κοπής. Για την ικανοποίηση της απαίτησης αυτής, μια εργαλειομηχανή θα πρέπει να είναι σχεδιασμένη με τέτοιο τρόπο ώστε να προσαρμόζεται στις εξελίξεις των υλικών κατασκευής, αποφεύγοντας την πιθανότητα να υπολειτουργεί ή ακόμη και να αχρηστευτεί μετά από μια βραχεία ωφέλιμη ζωή. γ) Να παρουσιάζει υψηλό τεχνολογικό και οικονομικό βαθμό απόδοσης. 26

29 δ) Πολύ σημαντική απαίτηση είναι επίσης, η εργαλειομηχανή να παρέχει ευκολία λειτουργίας και χειρισμών, καθώς επίσης και ικανοποιητική προστασία του χειριστή αλλά και της εργαλειομηχανής καθαυτής, καθώς και των κατεργαζόμενων τεμαχίων έναντι ατυχημάτων. ε) Η εργαλειομηχανή θα πρέπει να συντηρείται και να επισκευάζεται με ευκολία. στ) Τέλος, θα πρέπει να παρουσιάζει μια ικανοποιητική περιβαλλοντολογική συμπεριφορά (μόλυνση, θόρυβοι κ.α.). 2.2 Τόρνευση και Τόρνος Ο τόρνος, όπως έχουμε αναφέρει και στο πρώτο κεφάλαιο της εργασία, είναι από τις παλιότερες εργαλειομηχανές. Στο υποκεφάλαιο αυτό θα προσπαθήσουμε να αναφέρουμε τα είδη της τόρνευσης, καθώς επίσης θα επιχειρήσουμε μια σύντομη περιγραφή και αναφορά των λειτουργικών και των άλλων χαρακτηριστικών των κύριων ειδών των τόρνων που χρησιμοποιούνται στη μηχανουργική βιομηχανία Τα είδη της τόρνευσης Τόρνευση ονομάζεται η κατεργασία κοπής με περιστροφική την πρωτεύουσα κίνηση και μεταφορική την κίνηση της πρόωσης [5]. Η τόρνευση εκτελείται με εργαλείο καθορισμένης γεωμετρικής μορφής απλής κύριας όψης (Εικόνα 2.2). Εικόνα 2.2 Το κοπτικό εργαλείο της τόρνευσης Με τόρνευση κατεργάζονται τεμάχια συμμετρικά εκ περιστροφής με κατά κανόνα κυκλική διατομή. Στην εικόνα 2.3 παρουσιάζονται μερικά τέτοια τεμάχια, τα οποία είναι δυνατόν να αποκτούν διαφορετική ποιότητα επιφάνειας στα επί μέρους τμήματά τους, ανάλογα τις συνθήκες κατεργασίας στις οποίες κατεργάζονται. Στο σχήμα αυτό παρουσιάζονται τεμάχια στα οποία διάφορα τμήματά τους παίρνουν σχήμα κυλίνδρου, κώνου και σφαίρας. 27

30 Εικόνα 2.3 Τεμάχια συμμετρικά εκ περιστροφής Κατά την τόρνευση, το κατεργαζόμενο τεμάχιο περιστρέφεται γύρω από τον άξονά του, συγκρατημένο στον σφικτήρα (chock) του τόρνου. Με αυτόν τον τρόπο, συγκρούεται με το κοπτικό εργαλείο, το οποίο έχει δυνατότητα εγκάρσιας και διαμήκους μετακίνησης και έτσι απομακρύνεται υλικό από το κατεργαζόμενο τεμάχιο. Οι κινήσεις αυτές κατά την τόρνευση. παρουσιάζονται στην Εικόνα 2.4. Το εγκάρσιο βάθος εισχώρησης του εργαλείου στο τεμάχιο αποτελεί και το βάθος κοπής [8]. Εικόνα 2.4 Κινηματική τόρνευσης Βάση της κατεύθυνσης του άξονα τόρνευσης, που θεωρητικά είναι ο νοητός άξονας του κυλινδρικού τεμαχίου που συμπίπτει με το νοητό άξονα της ατράκτου του τόρνου, η τόρνευση διακρίνεται σε οριζόντια και κατακόρυφη, διάκριση η οποία προφανώς εξαρτάται από το αν ο άξονας τόρνευσης είναι οριζόντιο ή κατακόρυφος [9]. Η τόρνευση επίσης διακρίνεται σε εξωτερική και εσωτερική, και αυτό ορίζεται από το αν η επιφάνεια του τεμαχίου που κατεργάζεται είναι εξωτερική ή εσωτερική αντίστοιχα [9]. 28

31 Επίσης, υπάρχουν και άλλα είδη τόρνευσης τα οποία προκύπτουν με βάση την αμοιβαία σχέση των κύριων λειτουργικών κινήσεων, δηλαδή της πρωτεύουσας κίνησης και της κίνησης της πρόωσης. Τα είδη αυτά διακρίνονται ως εξής [8]: - Στην εξωτερική και εσωτερική κατά μήκος ή διαμήκη τόρνευση, όταν η κίνηση της πρόωσης κινείται παράλληλα με τον άξονα τόρνευσης (Εικόνα 2.5). Eικόνα 2.5. Διαμήκης εξωτερική τόρνευση & Διαμήκης εσωτερική τόρνευση - Στην εξωτερική και εσωτερική εγκάρσια τόρνευση, όταν η κατεύθυνση της κίνησης της πρόωσης είναι κάθετη προς τον άξονα της τόρνευσης. Η εγκάρσια τόρνευση μπορεί να συναντηθεί και σαν μετωπική τόρνευση (Εικόνα 2.6) ή ακτινική τόρνευση (Εικόνα 2.7). Εικόνα 2.6 Μετωπική τόρνευση Εικόνα 2.7 Ακτινική τόρνευση: αποκοπή και τόρνευση μορφής - Στην εξωτερική και εσωτερική κωνική τόρνευση, όταν η κατεύθυνση της κίνησης της πρόωσης τέμνει τον άξονα της τόρνευσης (Εικόνα 2.8). Εικόνα 2.8 Εξωτερική και εσωτερική κωνική τόρνευση 29

32 Βέβαια, πέρα από τις εργασίες τόρνευσης που προαναφέραμε παραπάνω, είναι δυνατόν να γίνουν και άλλα είδη κατεργασιών, χάριν στην ποικιλία των ειδών των τόρνων που χρησιμοποιούνται στη μηχανουργική πράξη. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί η σπειροτόμησης σε ένα συνήθη γενικής χρήσεως διαμήκη τόρνο. Εκτός από την τόρνευση με εργαλείο απλής κύριας κόψης, σε ορισμένες περιπτώσεις εφαρμογών χρησιμοποιούμαι και την τόρνευση με πολλά κοπτικά εργαλεία, όπου παραπάνω από ένα κοπτικά εργαλεία επεξεργάζονται ταυτόχρονα το τεμάχιο. Η τόρνευση με πολλά εργαλεία μπορεί να εκτελεστεί είτε με διαιρούμενη την πρόωση είτε με διαιρούμενο το βάθος κοπής (Εικόνα 2.9). Εικόνα 2.9 Παράσταση τόρνευσης με πολλά εργαλεία: α) με διαιρούμενη την πρόωση & β) με διαιρούμενο το βάθος κοπής Ο Τόρνος Στη παράγραφο αυτή θα προσπαθήσουμε να αναφέρουμε όσο το δυνατόν περισσότερα στοιχεία, όσον αφορά τη μορφολογία και τις προδιαγραφές των τόρνων, καθώς επίσης θα επιχειρήσουμε και μια ταξινόμησή τους με σκοπό την κατά το δυνατό πληρέστερη περιγραφή του κάθε είδους τόρνου Οριζόντιος μηχανουργικός τόρνος γενικής χρήσης Εικόνα 2.10 Σχηματική παράσταση οριζόντιου τόρνου: Α. κεφαλή (κιβώτιο περιστροφικών ταχυτήτων και κύρια άτρακτο), Β. σφιγκτήρας τεμαχίων (τσοκ), Γ. κεντροφορέας (κουκουβάγια), Δ. εργαλειοδέτης, Ε. κύριο εργαλειοφορείο, Ζ. κοχλίας σπειρωμάτων, Η. ράβδος πρόωσης, Θ. βάση, Ι. διαμήκης ολισθητήρας, Κ. εγκάρσιος ολισθητήρας. 30

33 Ο τόρνος αυτός είναι η ευρύτερα χρησιμοποιούμενη στην πράξη εργαλειομηχανή κοπής, και αυτό γιατί είναι μια εργαλειομηχανή απλή στην κινηματική της και ευέλικτη στις εφαρμογές της. Τις τελευταίες δεκαετίες έχει εξελιχθεί σε υψηλό βαθμό ώστε να μπορέσει να ανταποκριθεί στις σύγχρονες απαιτήσεις της μηχανουργικής παραγωγής τόσο από ποιοτική άποψη όσο και από ποσοτική δυνατότητα (Εικόνα 2.10). Τα κύρια προδιαγραφόμενα μεγέθη ενός τόρνου γενικής χρήσεως, τα οποία καθορίζουν και το μέγεθος του είναι οι εξής δυο διαστάσεις [5] (Εικόνα 2.11): - Η απόσταση μεταξύ κέντρων L - Το ύψος κέντρων Η από την επιφάνεια των ολισθητήρων του τόρνου Τρίτη ενδιαφέρουσα διάσταση, που όμως δεν προτυποποιείται είναι το ύψος κέντρων Η 1 από την επιφάνεια του εργαλειοφορείου. Εικόνα 2.11 Οι κύριες διαστάσεις του οριζόντιου μηχανουργικού τόρνου γενικής χρήσης Θεωρείται σκόπιμο σε αυτό το σημείο να δώσουμε συνοπτικά ορισμένα στοιχεία για το εργαλειοφορείο της μηχανής αυτής (Εικόνα 2.12). Το εργαλειοφορείο έχει μεγάλη σημασία για τη σωστή λειτουργία της εργαλειομηχανής. Φέρει το εργαλείο και εκτελεί τη διαμήκη και την εγκάρσια κίνηση για την τόρνευση και συγκροτείται από τέσσερα βασικά μέρη, τα οποία είναι [5]: - Το κύριο φορείο: Κινείται κατά μήκος της κλίνης του τόρνου παράλληλα προς το νοητό του άξονα (Ζ) επάνω στους ολισθητήρες και υποβαστά τα άλλα τρία μέρη του εργαλειοφορείου. 31

34 - Το εγκάρσιο φορείο: Στηρίζεται στο κύριο φορείο και κινείται σε ξεχωριστές ευθυντηρίες εγκάρσια (κάθετα, διεύθυνση Χ) προς το νοητό άξονα του τόρνου. - Το φορείο του εργαλειοδέτη: Είναι προσαρμοσμένο πάνω στο εγκάρσιο φορείο και φέρει τον εργαλειοδέτη όπου προσδένεται το κοπτικό εργαλείο. Ακόμη, μπορεί να περιστρέφεται επί ενός βαθμονομημένου δίσκου ακλουθώντας έτσι κατευθύνσεις που σχηματίζουν κάποια επιθυμητή γωνία ως προς το νοητό άξονα του τόρνου, ανάλογα πάντα με τις απαιτήσεις της κατεργασίας. - Το ειδικό κιβώτιο κίνησης του εργαλειοφορείου: Είναι τοποθετημένο στο κύριο φορείο πλευρικά της κλίνης της εργαλειομηχανής. Μέσω του κιβωτίου αυτού ταχυτήτων μεταδίδεται κίνηση από το κιβώτιο πρόωσης στο κύριο ή στο εγκάρσιο φορείο. Εικόνα 2.12 Το εργαλειοφορείο ενός τόρνου γενικής χρήσης: 1) κύριο μέρος, 2) εγκάρσιο φορείο, 3) περιστρεφόμενη βάση εργαλειοδέτη, 4) φορείο εργαλειοδέτη, 5) εργαλειοδέτης, 6) μεταφορικός κοχλίας εγκάρσιας κίνησης, 7) βαθμονομημένη αντύγα, 8) κιβώτιο μετάδοσης κίνησης 9) ολισθητήρες κλίνης. 32

35 Ο απλός μηχανουργικός τόρνος γενικής χρήσης Ο τόρνος αυτός είναι πανομοιότυπος με τον οριζόντιο μηχανουργικό τόρνο γενικής χρήσης με τη διαφορά ότι δεν διαθέτει κοχλία σπειρωμάτων. Η έλλειψη του κοχλία σπειρωμάτων και του συνδεόμενου με αυτόν συστήματος για τη μετάδοση της κίνησης απλοποιεί σημαντικά την κατασκευαστική διαμόρφωση του τόρνου. Ο τόρνος αυτός προδιαγράφεται ακριβώς όπως και ο προηγούμενος Ο μετωπικός τόρνος Ο τόρνος αυτός χαρακτηρίζεται ως εργαλειομηχανή απλής χρήσης η οποία προορίζεται για μορφοποίηση τεμαχίων μεγάλης διαμέτρου, αλλά μικρού σχετικά μήκους. Με την εργαλειομηχανή αυτή μπορούμε επίσης να εκτελέσουμε τόρνευση εξωτερικών και εσωτερικών κυλινδρικών και κωνικών επιφανειών. Ο μετωπικός τόρνος (Εικόνα 2.13) διαφέρει κατασκευαστικά από τον τόρνο γενικής χρήσεως, έχοντας σαν κύριο χαρακτηριστικό του τη μεγάλου μεγέθους πλάκα συγκρατήσεως των τεμαχίων, που είναι δυνατόν να μην είναι μόνο κυλινδρικά, καθώς επίσης να συγκρατιούνται και εκκέντρως με αναγκαία την προσθήκη αντιβάρου. Οι τόρνοι αυτοί φέρουν κεντροφορέα προσαρμοσμένο όμως σε υψηλό βάθρο. Οι μετωπικοί τόρνοι προτυποποιούνται βάσει της μέγιστης διαμέτρου D, σε mm, του τεμαχίου που έχουν δυνατότητα να κατεργαστούν Ο τόρνος πολλών εργαλείων Εικόνα 2.13 Μετωπικός τόρνος Είναι τόρνος απλής χρήσεων, υψηλής παραγωγικότητας και αποσκοπεί στην κατεργασία τεμαχίων όπως είναι άτρακτοι με πολλές βαθμίδες, μπλοκ οδοντοτροχών, 33

36 κ.α που στηρίζονται μεταξύ κέντρων ή προσδένονται σε σφιγκτήρα με σιαγόνες (chock) και παράγονται σε παρτίδες μεγάλου μεγέθους ή μαζικά. Συνήθως διαθέτει δυο ή περισσότερα εργαλεία μιας κύριας κόψης, που αποκόπτουν συγχρόνως, με αποτέλεσμα να μειώνεται σημαντικά ο συνολικός χρόνος κατεργασίας. Κατά κύριο λόγο λειτουργούν σε βάση ημιαυτόματου κύκλου και τα ασκούμενα φορτία κατά την κοπή είναι υψηλά λόγω της αυξημένης συνολικής θεωρητικής διατομής του αποβλήτου. Για αυτό το λόγο, η κατασκευή τους είναι βαριά κάτι που τους κάνει ιδιαίτερα στιβαρούς Ο τόρνος απλής (μίας) χρήσεως Είναι τόρνος αυστηρά εξειδικευμένος και ενδείκνυται η χρήση του για τόρνευση σε μεγάλο όγκο παραγωγής. Πιο συγκεκριμένα, τέτοιους τόρνους τους συναντάμε σαν: - Τόρνοι κυλίστρων - Τόρνοι εκχονδρίσεως και αποκοπής πλινθωμάτων στη χαλυβουργία - Τόρνοι κατεργασίας τροχών, πλημνών, τριβέων ολισθήσεως και άλλων τεμαχίων σιδηροδρομικών οχημάτων. - Τόρνοι στροφαλοφόρων ή εκκεντροφόρων αξόνων - Τόρνοι αποκοπής - Τόρνοι σπειροτόμησης & - Τόρνοι ραχοτόρνευσης (βιομηχανία κατασκευής κοπτικών εργαλείων) Οριζόντιος πυργωτός τόρνος (Τόρνος Revolver) Εικόνα 2.14 Εργαλειοφόρος κεφαλή (μύλος) τόρνου Revolver 34

37 Ο οριζόντιος πυργωτός τόρνος (revolver) ανήκει στην κατηγορία των ημιαυτόματων τόρνων [5]. Χρησιμοποιείται κυρίως στις περιπτώσεις μεγάλης σε σειρά παραγωγής, χάρη στη δυνατότητά γρήγορης αλλαγής εργαλείου και ταυτόχρονης κοπής, λόγο των πολλών εργαλείων που φέρει. Τα εργαλεία είναι συγκρατημένα, με τη σειρά που πρέπει, πάνω σε μία περιστροφική εργαλειοφόρο κεφαλή, η οποία κεφαλή ονομάζεται πύργος ή μύλος (Εικόνα 2.14). Χάρη σε αυτόν το μύλο συγκράτησης των κοπτικών εργαλείων, ο οποίος μοιάζει με μύλο περιστρόφου, ο πυργωτός τόρνος χαρακτηρίζεται και σαν «Τόρνος Revolver». Οι οριζόντιοι πυργωτοί τόρνοι προτυποποιούνται βάσει της μέγιστης διαμέτρου D, σε mm, της ράβδου με την οποία τροφοδοτείται ο τόρνος ή του προς κατεργασία διακριτού ημικατεργασμένου τεμαχίου [5]. 35

38 2.3 Φραιζάρισμα και Φραιζομηχανή Το φραιζάρισμα, και συνεπώς και η φραιζομηχανή, γενικά καταλαμβάνει τη δεύτερη θέση από την άποψη της συχνότητας των εφαρμογών και του όγκου παραγωγής ανάμεσα στις κατεργασίες κοπής, αμέσως μετά την τόρνευση και τον τόρνο. Στο υποκεφάλαιο αυτό θα προσπαθήσουμε να αναφέρουμε τα είδη του φραιζαρίσματος, καθώς επίσης θα επιχειρήσουμε μια σύντομη περιγραφή και αναφορά των λειτουργικών και των άλλων χαρακτηριστικών των κύριων ειδών των φραιζομηχανών που χρησιμοποιούνται στη μηχανουργική βιομηχανία Τα είδη του φραιζαρίσματος Το φραιζάρισμα ανήκει στην ομάδα ταξινόμησης των κατεργασιών κοπής όπου το εργαλείο εκτελεί περιστροφική κίνηση (πρωτεύουσα κίνηση) και το τεμάχιο, είτε είναι επίπεδο, ευθύγραμμο ή καμπυλωτό, εκτελεί συνεχή κίνηση (συνεχής κίνηση πρόωσης). Το εργαλείο (φραίζα ή κοπτήρας φραιζαρίσματος) έχει καθορισμένη γεωμετρική μορφή και φέρει πολλές κύριες κόψεις ή οδόντες, κάτι που σημαίνει ότι είναι ένα εργαλείο πολλαπλών κόψεων(εικόνα 2.15). Κατά το φραιζάρισμα αφαιρείται περιοδικά προκαθορισμένος όγκος μετάλλου από το προς κατεργασία τεμάχιο υπό μορφή μεμονωμένων αποβλήτων. Οι κύριες κόψεις της φραίζας διαμορφώνονται στα δόντια, που μπορεί να φέρει περιφερειακά ή μετωπικά. Η κίνηση της πρόωσης είναι συνεχής και κάθε δόντι δεν κόβει συνεχώς, αλλά μόνο επί ορισμένο μέρος της περιόδου της κίνησης της φραίζας, που αντιστοιχεί σε ορισμένη γωνία περιστροφής [5]. Το φραιζάρισμα διακρίνεται σε δύο κατηγορίες, το περιφερικό (Εικόνα 2.15) και το μετωπικό (Εικόνα 2.16). Εικόνα 2.15 Κινηματική του περιφερικού φραιζαρίσματος: 1) Ομόρροπο φραιζάρισμα 2) Αντίρροπο φραιζάρισμα. Εικόνα 2.16 Κινηματική του μετωπικού φραιζαρίσματος 36

39 Με το περιφερικό φραιζάρισμα κατεργαζόμαστε επίπεδες επιφάνειες, παράλληλες προς τον άξονα του κοπτήρα φραιζαρίσματος. Ο κοπτήρας φραιζαρίσματος φέρει δόντια στην περιφέρειά του, με την κόψη τους παράλληλη ως προς τον άξονά του, αν μιλάμε για κοπτήρα με ευθεία δόντια, ή υπό γωνία ως προς τον άξονά του, αν μιλάμε για κοπτήρα με ελικοειδή δόντια. Όταν έχουμε περιφερικό φραιζάρισμα είναι δυνατόν η κίνηση της πρόωσης (κίνηση κομματιού) να είναι αντίρροπη ή ομόρροπη προς την πρωτεύουσα κίνηση (κίνηση κοπτικού). Έτσι προκύπτουν δύο μέθοδοι για το περιφερικό φραιζάρισμα, το αντίρροπο φραιζάρισμα και το ομόρροπο φραιζάρισμα (Εικόνα 2.15). Το περιφερικό φραιζάρισμα εκτελείται σε οριζόντια φραιζομηχανή (Εικόνα 2.17), η οποία παίρνει αυτή την ονομασία επειδή ο εργαλειοφόρος άξονας της έχει οριζόντια θέση. Εικόνα 2.17 Τα κύρια μέρη μιας οριζόντιας φραιζομηχανής: Α. Πρόβολος, Β. Εργαλειοφόρος άξονας, Γ. Τράπεζα, Δ. Ανώτερο φορείο, Ε. Κατώτερο φορείο, Ζ. Κορμός, Η. Βάση. Κατά το μετωπικό φραιζάρισμα ο κοπτήρας φραιζαρίσματος έχει δόντια με κόψεις περιφερειακά και μετωπικά και η κατεργασμένη επιφάνεια είναι κάθετη στον άξονα του κοπτήρα φραιζαρίσματος. Κατά τη διάρκεια του μετωπικού φραιζαρίσματος, παρουσιάζονται συνήθως συνθήκες αντίρροπου και ομόρροπου φραιζαρίσματος κατά τη διάρκεια αποκοπής του ίδιου δοντιού. (Εικόνα 2.18). Το μετωπικό φραιζάρισμα γίνεται σε κατακόρυφη φραιζομηχανή (Εικόνα 2.19), η οποία φέρει κατακόρυφο εργαλειοφόρο άξονα. Εικόνα 2.18 Χαρακτηριστικά στοιχεία μετωπικού φραιζαρίσματος 37

40 Εικόνα 2.19 Τα κύρια μέρη μιας κατακόρυφης φραιζομηχανής: Α. Εργαλειοφόρος κεφαλή, Β. Τράπεζα, Γ. Ανώτερο φορείο, Δ. Κατώτερο φορείο, Ε. Κορμός, Ζ. Βάση. Με το φραιζάρισμα, εκτός από επίπεδες επιφάνειες μπορούμε να κατεργαστούμε και διάφορες καμπύλες επιφάνειες με φραιζάρισμα μορφής και αντιγραφής, καθώς επίσης να κόψουμε οδοντώσεις με κοπτήρα μορφής και σπειρώματα. Για να γίνει το φραιζάρισμα, ο κοπτήρας φραιζαρίσματος προσδένεται στον εργαλειοφόρο άξονα της φραιζομηχανής και το κομμάτι στην τράπεζα της. Στο παρακάτω σχήμα (Εικόνα 2.20) εικονίζονται τυπικές μορφές επιφανειών και τεμαχίων που μορφοποιούνται με φραιζάρισμα. Εικόνα 2.20 Αντιπροσωπευτικά τεμάχια που παράγονται με φραιζάρισμα γενικά Η φραιζομηχανή Οι φραιζομηχανές, βάσει των ειδικών κριτηρίων, ταξινομούνται όπως έχουν ταξινομηθεί γενικά οι εργαλειομηχανές σε παραπάνω κεφάλαιο (Κεφάλαιο 2.1.1). Σε αυτό το υποκεφάλαιο θα ταξινομήσουμε τις φραιζομηχανές ως προς τις εφαρμογές τους [8]. Βάσει αυτού του κριτηρίου οι φραιζομηχανές χωρίζονται σε τρείς κατηγορίες, οι οποίες είναι: 38

41 - Φραιζομηχανές γενικής χρήσης - Φραιζοδράπανα και - Ειδικές φραιζομηχανές Παρακάτω θα ασχοληθούμε με τις τρεις αυτές κατηγορίες των φραιζομηχανών προσπαθώντας να τις αναλύσουμε όσο το δυνατόν καλύτερα Φραιζομηχανές γενικής χρήσης Στην ομάδα αυτή φραιζομηχανών περιλαμβάνονται: οι φραιζομηχανές τύπου γόνατος, τύπου κλίνης, τύπου περιστρεφόμενης τράπεζας και οι φραιζομηχανές σταθεράς κλίνης φραιζοπλάνες. Οι γενικής χρήσεως φραιζομηχανές είναι εξαιρετικά ευέλικτες και χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές παραγωγής μικρού μεγέθους παρτίδων, καθώς επίσης και στην παραγωγή, κατά μονάδα, μεγάλης ποικιλίας μηχανουργικών προϊόντων Οι φραιζομηχανές τύπου γόνατος Τις φραιζομηχανές αυτές τις συναντάμε σαν απλές οριζόντιες φραιζομηχανές ή σαν απλές κατακόρυφες φραιζομηχανές. Ιδιαίτερο χαρακτηριστικό των φραιζομηχανών τύπου γόνατος είναι η δυνατότητα κίνησης της τράπεζας τους κατά μήκος των αξόνων τρισορθογώνιου συστήματος ΧΥΖ. Επιπλέον είναι εφικτή, με τις κατάλληλες τροποποιήσεις βέβαια, η χρησιμοποίηση υψηλών ταχυτήτων κοπής για κατεργασία ειδικώς ελαφρών μετάλλων και κραμάτων. Τα κύρια μέρη, που συγκροτούν τις φραιζομηχανές τύπου γόνατος είναι τα εξής (Εικόνα 2.17 και Εικόνα 2.19): - Σώμα - Συγκρότημα κύριας ατράκτου εργαλειοφόρου άξονα - Βάση - Σύστημα φορείων τράπεζας - Διαιρέτη, που θεωρείται ως αναπόσπαστο εξάρτημα, γιατί συντελεί στην διερεύνηση των δυνατοτήτων της φραιζομηχανής. Το σύστημα φορείων τράπεζας βοηθάει στο να επιτύχουμε κινήσεις πάνω στις τρείς διευθύνσεις Χ, Υ και Ζ. Τρία βασικά μέρη συντελούν αυτό το σύστημα: 39

42 - Το γόνυ ή κατώτερο φορείο για την κατακόρυφη κίνηση (+- Ζ στην κατακόρυφη φραιζομηχανή ή +- Υ στην οριζόντια), κινούμενο σε κατακόρυφες ευθυντήριες στο σώμα της εργαλειομηχανής. - Το φορείο εγκάρσιας κίνησης (+- Υ για κατακόρυφη φραιζομηχανή ή +- Ζ για οριζόντια), στερεωμένο και κινούμενο στο προηγούμενο φορείο σε πρισματοδηγούς κάθετους προς το μέτωπο της φραιζομηχανής. - Την τράπεζα, στην οποία συγκρατείται κατάλληλα και με ασφάλεια το προς κατεργασία τεμάχιο. Η τράπεζα, εκτελεί την κατά μήκος οριζόντια κίνηση (+- Χ και στην οριζόντια αλλά και στην κατακόρυφη φραιζομηχανή) σε ολισθητήρες του εγκάρσιου φορείου. Οι κινήσεις που εκτελούνται πάνω στους άξονες Χ,Υ και Ζ χαρακτηρίζονται σαν ενεργές κινήσεις, όταν λαμβάνει χώρα κοπή και σαν κινήσεις επαναφοράς όταν δεν έχουμε κοπή [8]. Οι κινήσεις επαναφοράς εκτελούνται με σχετικά υψηλή ταχύτητα, προφανώς για λόγους οικονομίας. Οι κατακόρυφες φραιζομηχανές τύπου γόνατος μπορούν να συναντηθούν σαν φραιζομηχανές με σταθερή, περιστρεφόμενη ή και ολισθαίνουσα την εργαλειφόρο κεφαλή ή ακόμη και σε συνδυασμούς των δύο τελευταίων περιπτώσεων (Εικόνα 2.21). Εικόνα 2.21 Τυπικές φραιζομηχανές τύπου γόνατος και οι δυνατότητες κίνησης της εργαλειοφόρου κεφαλής και της τράπεζας. 40

43 Φραιζομηχανές τύπου κλίνης Οι φραιζομηχανές τύπου κλίνης συνήθως έχουν τη δυνατότητα δυσδιάστατης μετακίνησης της τράπεζας, δηλαδή κατά τη διαμήκη κατεύθυνση, καθώς και κατά την εγκάρσια κατεύθυνση. Οι κατακόρυφες κινήσεις εκτελούνται από την εργαλειοφόρο κεφαλή της φραιζομηχανής. Οι φραιζομηχανές αυτές, όσο αναφορά τη διευθέτηση της ατράκτου, διακρίνονται σε οριζόντιες και σε κατακόρυφες, οι οποίες είναι και οι συνηθέστερες. Επίσης, υπάρχει η δυνατότητα να έχουν ενσωματωμένη περιστρεφόμενη τράπεζα και να διαθέτουν σύστημα κυκλικών προώσεων. Τα δυναμικά χαρακτηριστικά των φραιζομηχανών τύπου κλίνης υπερέχουν εκείνων των φραιζομηχανών τύπου γόνατος, όμως όσο αναφορά την λειτουργική ευελιξία οι φραιζομηχανές τύπου γόνατος είναι ανώτερες Φραιζομηχανές τύπου κυκλικής περιστρεφόμενης τράπεζας Στην τράπεζα των φραιζομηχανών αυτών προσδίδεται μόνο κυκλική ταχύτητα πρόωσης και αντίστοιχη κυκλική πρόωση. Η τράπεζα των φραιζομηχανών αυτών έχει τη δυνατότητα εγκάρσιας μεταθέσεως, στη φάση της ρύθμισης της φραιζομηχανής, η οποία κινείται πάνω στους ολισθητήρες της κλίνης ενώ η θέση της εργαλειοφόρου κεφαλής ρυθμίζεται με κατακόρυφη μετακίνηση στους ολισθητήρες του ορθοστάτη. Εκτός από τη μετακίνηση της εργαλειοφόρου κεφαλής μπορεί να μετακινηθεί και η άτρακτος είτε προς τα μέσα είτε προς τα έξω. Οι φραιζομηχανές αυτού του τύπου κατασκευάζονται σαν οριζόντιες, με μια άτρακτο, ή σαν κατακόρυφες, με μια ή περισσότερες ατράκτους (συνήθως δύο ή τρεις), ενώ είναι δυνατόν να διαθέτουν ακόμη περισσότερες ατράκτους κάτι που αφορά τις ειδικές φραιζομηχανές κυκλικής περιστρεφόμενης τράπεζας. Οι φραιζομηχανές αυτές βρίσκουν εφαρμογή κυρίως στη μαζική παραγωγή και αυτό συμβαίνει γιατί η παραγωγικότητα τους είναι πολύ υψηλή. Η υψηλή παραγωγικότητα οφείλεται στην ύπαρξη φραιζομηχανών τέτοιου τύπου με δυο ορθοστάτες και αντίστοιχες κεφαλές φραιζαρίσματος. Εδώ, η πρόσδεση του προς κατεργασία τεμαχίου καθώς και η απόσυρση του έτοιμου τεμαχίου εκτελούνται χωρίς η τράπεζα να σταματάει κάτι που σημαίνει συνεχές φραιζάρισμα άρα μειωμένο χρόνο κατεργασίας άρα υψηλή παραγωγικότητα Φραιζομηχανές σταθερής κλίνης φραιζοπλάνες Στις φραιζοπλάνες η τράπεζα έχει τη δυνατότητα να κινείται προς μια μόνο κατεύθυνση, την κατά μήκος ή διαμήκη κατεύθυνση. Οι υπόλοιπες αναγκαίες κινήσεις (εγκάρσιες και κατακόρυφες) πραγματοποιούνται από τις κεφαλές 41

44 φραιζαρίσματος, τους εργαλειοφόρους ατράκτους, κτλ. Σε ορισμένες περιπτώσεις υπάρχει η δυνατότητα περιστροφής των κεφαλών φραιζαρίσματος (δεξιόστροφα ή αριστερόστροφα από μια μέση θέση) κατά γωνία έως και 30 ο περίπου. Υπάρχουν φραιζοπλάνες με έναν ορθοστάτη και φραιζοπλάνες με δυο ορθοστάτες Φραιζοδράπανα Τα φραιζοδράπανα είναι σύνθετες και πολύμορφες εργαλειομηχανές, οι οποίες μπορούν σε υψηλό ποσοστό να υποκαταστήσουν κάποιες βασικές εργαλειομηχανές κοπής, εκτός των λειαντικών. Σε αυτά κατεργάζονται περίπλοκα, μεγάλου μεγέθους τεμάχια, που κατά κανόνα δεν είναι δυνατόν (ή η κατεργασία τους δεν είναι συμφέρουσα από την άποψη της επιτυγχανόμενης ακρίβειας και παραγωγικότητας) να μορφοποιηθούν στις διατιθέμενες συνήθεις εργαλειομηχανές. Σε ένα φραιζοδράπανο μπορούν να εκτελεσθούν οι εξής κατεργασίες [5]: - Τόρνευση, ιδίως εσωτερική, σε μεγάλες ή και μικρές σχετικά διαμέτρους, αλλά και σε διάφορες θέσεις του ίδιου τεμαχίου με υψηλή ακρίβεια (διαστάσεων και μορφής), καθώς και το βαθμό τραχύτητας της επιφάνειας - Διάφορες εργασίες φραιζαρίσματος - Εργασίες πλανίσματος - Σπειρομέτρηση, ιδιαίτερα σε μεγάλες διαμέτρους, με σταθερό το τεμάχιο και με περιστρεφόμενο και προωθούμενο το κοπτικό εργαλείο - Άλλες κατεργασίες κοπής Με βάση την κατασκευαστική τους διαμόρφωση, τα φραιζοδράπανα διακρίνονται σε φραιζοδράπανα ενσωματωμένης κλίνης (Εικόνα 2.22), σε φραιζοδράπανα με χωριστή κλίνη (Εικόνα 2.23) και σε ειδικά φραιζοδράπανα όπως, για παράδειγμα, είναι το φραιζοδράπανο κλινόμενης εργαλειοφόρου κεφαλής. Το φραιζοδράπανο ενσωματωμένης κλίνης μπορεί να είναι μονοάτρακτο (να φέρει μια εργαλειοφόρο κεφαλή), που στηρίζεται και μετακινείται στον ορθοστάτη της ή να είναι πολυάτρακτο, δηλαδή να φέρει περισσότερες εργαλειοφόρους κεφαλές. Εικόνα 2.22 Σχηματική διάταξη φραιζοδράπανου ενσωματωμένης κλίνης 42

45 Εικόνα 2.23 Σχηματική διάταξη φραιζοδράπανου χωριστής κλίνης Ειδικές φραιζομηχανές Στην ομάδα αυτή ανήκουν φραιζομηχανές απλής χρήσης. Σχεδιάζονται και κατασκευάζονται για τεμάχια καθορισμένης γεωμετρικής μορφής, καθώς επίσης σε αυτές τις φραιζομηχανές μπορούν να κατεργασθούν όμοια τεμάχια μεταβαλλόμενου μεγέθους. Οι ειδικές φραιζομηχανές βρίσκουν εφαρμογή στην παραγωγή μεσαίου και μεγάλου μεγέθους παρτίδων. Παρακάτω θα περιγραφούν σύντομα οι ευρύτερα χρησιμοποιούμενες ειδικές φραιζομηχανές ή φραιζομηχανές απλής χρήσεως Φραιζομηχανές αντιγραφής Παντογράφοι Με τις φραιζομηχανές αυτές μορφοποιούμε περίπλοκα τεμάχια, όπως είναι οι μήτρες διαμορφώσεως, μεταλλικές μήτρες χύτευσης, μήτρες (εμφυσήσεως) πλαστικών, πτερύγια στροβίλων και ελίκων πλοίων κ.λπ. Οι φραιζομηχανές αυτές είναι δυνατόν να προέρχονται από τροποποιήσεις βασικών τύπων ή ακόμη να σχεδιάζονται για κατεργασία τεμαχίων συγκεκριμένης μορφής. Οι φραιζομηχανές αντιγραφής μπορεί να διαθέτουν μία ή περισσότερες (δύο ή τρείς) οριζόντιες ή κατακόρυφες εργαλειοφόρους ατράκτους. Επιπλέον, οι δυνατότητες κατεργασίας ορισμένων τύπων των εργαλειομηχανών αυτών μπορούν να διευρυνθούν με την πρόβλεψη για λειτουργίας τους ως φραιζομηχανές ψηφιακής καθοδήγησης. Οι σύγχρονες εργαλειομηχανές αυτού του είδους είναι εφοδιασμένες με συστήματα ελέγχου, που περιλαμβάνουν μηχανικούς, ηλεκτρικούς και υδραυλικούς σερβομηχανισμούς κατά διάφορους συνδυασμούς Φραιζομηχανές σφηνοδρόμων Οι φραιζομηχανές αυτές προορίζονται για μορφοποίηση σφηνοδρόμων σε ατράκτους σε μεγάλη ποικιλία μεγεθών. Χρησιμοποιούνται κονδυλοειδείς κοπτήρες φραιζαρίσματος, καταλλήλων εκάστοτε τεχνικών χαρακτηριστικών, με διαφέρουσα 43

46 όμως κινηματική, όπως για παράδειγμα με θέση του κοπτήρα φραιζαρίσματος στο συνολικό βάθος κοπής και κίνησή της, ώστε να καλύψει το ολικό μήκος του σφηνοδρόμου ή με βάση παλινδρομικό κύκλο φραιζαρίσματος (ενεργός διαδρομή διαδρομή ταχείας επαναφοράς του κοπτήρα φραιζαρίσματος) και με θέση ενός μεριδίου του συνολικού βάθους κοπής στο τέλος της διαδρομής επαναφοράς του κοπτήρα φραιζαρίσματος. Η πρώτη μέθοδος εμφανίζει υψηλότερη παραγωγικότητα, ενώ η δεύτερη παρουσιάζει περισσότερο χρόνο ζωής του κοπτήρα, κάτι που είναι σημαντικό εάν αναλογιστούμε ότι όταν ο κοπτήρας τροχίζεται αποκτά μικρότερη ονομαστική διάμετρο με αποτέλεσμα να παρουσιάζεται ανακρίβεια στο πλάτος του σφηνοδρόμου Φραιζομηχανές μορφοποίησης αυλακώσεων σε κοπτικά εργαλεία Οι φραιζομηχανές αυτού του είδους είναι ουσιώδης σημασίας στην κατασκευή εργαλείων με πολλαπλές κόψεις, όπως είναι τα ελικοειδή τρυπάνια, οι σπειροτόμοι, οι κονδυλοειδείς κοπτήρες φραιζαρίσματος κ.α. Ανάλογα με τον όγκο παραγωγής, η εν λόγω εργασία μπορεί να εκτελεστεί σε απλή οριζόντια εργαλειομηχανή, κατάλληλα βέβαια εξοπλισμένη ή σε εξειδικευμένες ημιαυτόματες ή αυτόματες φραιζομηχανές για παραγωγή σε παρτίδες μεγάλου μεγέθους και στη μαζική παραγωγή. 44

47 2.4 Πλάνισμα και Πλάνες Με το πλάνισμα τροποποιούμε κυρίως επίπεδες επιφάνειες (οριζόντιες, κατακόρυφες και υπό κλίση), όπως και σύνθετες επιφάνειες που προκύπτουν από συνδυασμούς επιπέδων επιφανειών. Επίσης, μπορούμε να μορφοποιήσουμε ακόμη και καμπύλες επιφάνειες (πλάνισμα κύλισης) με εργαλείο μορφής ή με πλάνισμα αντιγραφής. Γενικά, το πλάνισμα είναι μια κατεργασία που ταιριάζει περισσότερο στην παραγωγή κατά μονάδα ή σε παραγωγή μικρών σχετικά παρτίδων. Αυτό μπορούμε να το αποδώσουμε αφ ενός στην ευελιξία που παρουσιάζει η πλάνη στην εκτέλεση ποικίλων εργασιών, στο χαμηλό κόστος της αγοράς της, στο μικρό κόστος των κοπτικών της εργαλείων και στη γρήγορη ρύθμισή της σε σύγκριση πάντα με άλλες εργαλειομηχανές στις οποίες μπορεί να γίνει η ίδια κατεργασία (π.χ. φραιζομηχανές). Αφ ετέρου η πλάνη παρουσιάζει χαμηλό ρυθμό αφαίρεσης υλικού, που αποτελεί βασικό μειονέκτημα για αποδοτική εργασία σε μεγάλες παρτίδες τεμαχίων. Κάτι που πρέπει να σημειώσουμε σε αυτό το σημείο όσο αναφορά το πλάνισμα είναι ότι, αντίθετα με το ότι συμβαίνει στις κατεργασίες που αναφέραμε προηγουμένως, η πρόωση κατά το πλάνισμα πραγματοποιείτε κατά βήματα, δηλαδή η κίνηση της πρόωσης σε αυτή τη κατεργασία είναι διακοπτόμενη (ασυνεχής). Με το πλάνισμα κατεργαζόμαστε κομμάτια από χάλυβα (η σκληρότητα του οποίου μπορεί να φτάσει μέχρι τα 400 Brinell περίπου), από χυτοσίδηρο, από μη σιδηρούχα μέταλλά και κράματα, καθώς επίσης και κομμάτια από ορισμένα πλαστικά Τα είδη του πλανίσματος Το πλάνισμα το διακρίνουμε ανάλογα το είδος της πλάνης που χρησιμοποιούμε. Έτσι έχουμε δύο είδη πλανίσματος, το πλάνισμα σε τραπεζοπλάνη (ή γεφυροπλάνη) και το πλάνισμα σε βραχεία πλάνη (ή ταχυπλάνη), είτε αυτό εκτελείτε σε οριζόντια βραχεία πλάνη είτε σε κατακόρυφη βραχεία πλάνη. Κατά το πλάνισμα σε οριζόντια βραχεία πλάνη, το κοπτικό εργαλείο εκτελεί ευθύγραμμη παλινδρομική κίνηση. Κάθε παλινδρόμηση (δηλαδή ένας πλήρης κύκλος εργασίας) περιλαμβάνει την ενεργό ή ωφέλιμη διαδρομή για κοπή και την νεκρά ή μη ωφέλιμη διαδρομή, η οποία είναι η επιστροφή του εργαλείου στην αρχική θέση. Το τεμάχιο στο τέλος κάθε νεκράς διαδρομής του κοπτικού εργαλείου, προωθείται κάθετα προς την κατεύθυνση κίνησης του εργαλείου, κατά απόσταση ίση με την πρόωση η όποια είναι ασυνεχής όπως αναφέραμε παραπάνω(εικόνα 2.24). 45

48 Εικόνα 2.24 Κινηματική του πλανίσματος σε βραχεία πλάνη ΠΚ: πρωτεύουσα κίνηση, ΕΔ: ενεργός διαδρομή, ΝΔ: νεκρά διαδρομή, ΚΘ(a): κίνηση θέσης βάθους κοπής, ΚΠ: κίνηση πρόωσης ΚΕ: κίνηση εργαλείου Το πλάνισμα σε κατακόρυφη βραχεία πλάνη (Εικόνα 2.25) είναι παρόμοιο με αυτό που γίνεται στη οριζόντια βραχεία πλάνη με τη διαφορά ότι, το κοπτικό εργαλείο παλινδρομεί κατακόρυφα (η ενεργός διαδρομή του είναι προς τα κάτω) ενώ το κομμάτι μετακινείται στο οριζόντιο επίπεδο (διακοπτόμενη κίνηση πρόωσης) στο τέλος κάθε νεκρής διαδρομής του εργαλείου. Εικόνα 2.25 Κινηματική του πλανίσματος σε κατακόρυφη βραχεία πλάνη ΠΚ: πρωτεύουσα κίνηση, ΕΔ: ενεργός διαδρομή, ΝΔ: νεκρά διαδρομή, ΕΚΠ: εγκάρσια κίνηση πρόωσης, ΔΚΠ: διαμήκης κίνηση πρόωσης ΚΕ: κίνηση εργαλείου Στο πλάνισμα στην τραπεζομηχανή, η πρωτεύουσα κίνηση προσδίδεται στο τεμάχιο από την τράπεζα της εργαλειομηχανής, στην οποία αυτό προσδένεται, και η κίνηση της πρόωσης στο κοπτικό εργαλείο, το οποίο μετατοπίζεται κάθετα προς την κατεύθυνση της πρωτεύουσας κίνησης (Εικόνα 2.26). Εικόνα 2.26 Κινηματική του πλανίσματος σε τραπεζοπλάνη ΠΚ: πρωτεύουσα κίνηση, ΕΔ: ενεργός διαδρομή, ΝΔ: νεκρά διαδρομή, ΚΘ(a): κίνηση θέσης βάθους κοπής, ΚΠ: κίνηση πρόωσης ΚΕ: κίνηση εργαλείου 46

49 2.4.2 Οι πλάνες Σε αυτό το υποκεφάλαιο θα κάνουμε μια σύντομη περιγραφή όσο αναφορά τη μορφολογία, τη λειτουργία και τις προδιαγραφές των πλανών. Θα ασχοληθούμε με τρία είδη πλάνης, τα οποία είναι: - Η οριζόντια βραχεία πλάνη - Η κατακόρυφη βραχεία πλάνη - Η τραπεζοπλάνη ή γεφυροπλάνη Παρακάτω θα ασχοληθούμε με τα τρία είδη αυτών των πλανών προσπαθώντας να τα αναλύσουμε όσο το δυνατόν καλύτερα Η οριζόντια βραχεία πλάνη Παρόλο την παύση της κατασκευής της, αξίζει να γίνει μια σύντομη αναφορά στην οριζόντια βραχεία πλάνη, όσον αφορά τα κύρια μέρη και χαρακτηριστικά της και τα προδιαγραφόμενα στοιχεία της. Η πλάνη αυτή απαρτίζεται από κάποιες κύριες δομικές μονάδες, οι οποίες είναι η βάση, ο κορμός, η τράπεζα και το έλκυθρο ή κεφαλή, που φέρει το εργαλειοφορείο με τον εργαλειοδέτη [8] (Εικόνα 2.27). Εικόνα 2.27 Τα κύρια μέρη μιας οριζόντιας βραχείας πλάνης: Α: έλκυθρο, Β: εργαλειοφορείο, Γ: τράπεζα, Δ: κορμός ή ορθοστάτης, Ε: βάση Ζ: εγκάρσιο φορείο 47

50 Η τράπεζα της πλάνης, με σκοπό να συγκρατεί στερεά και με ασφάλεια το προς κατεργασία κομμάτι φέρει αυλάκια μορφής Τ. Προσαρμοσμένη σε κατάλληλο φορείο (εγκάρσιο φορείο) έχει τη δυνατότητα να μετακινείται κατακόρυφα και εγκάρσια, δηλαδή κάθετα προς την πρωτεύουσα κίνηση. Η κατακόρυφη μετακίνηση της τράπεζας πραγματοποιείται με ανύψωση του εγκάρσιου φορείου και έχει σαν σκοπό να φέρει το κομμάτι στην επιθυμητή θέση κάτω από το κοπτικό εργαλείο. Στη θέση αυτή η τράπεζα μπορεί να στερεωθεί. Σε αυτό το σημείο θα πρέπει να σημειωθεί ότι αυτή η κατακόρυφη κίνηση της τράπεζας δεν πραγματοποιείται με ακρίβεια αλλά χονδρικά. Η τράπεζα μετακινείται εγκάρσια με τη βοήθεια του μηχανισμού της πρόωσης, ο οποίος επιβάλει στην τράπεζα, αλλά και στο κομμάτι που προσδένεται σε αυτή την κίνηση της πρόωσης στο τέλος κάθε νεκρής διαδρομής. Τέλος, η τράπεζα είναι δυνατόν να στερεώνεται στη βάση της πλάνης, με κατάλληλο συνδετικό στοιχείο, και έτσι η πλάνη γίνεται πιο στιβαρή κατά την εργασία της. Στο πάνω μέρος του κορμού της πλάνης υπάρχουν ολισθητήρες, πάνω στους οποίους παλινδρομεί το έλκυθρο μαζί με το εργαλειοφορείο και βέβαια μαζί με τον εργαλειοδέτη και το κοπτικό εργαλείο. Η αναγκαία ισχύς για την κοπή παρέχεται από κατάλληλο ηλεκτροκινητήρα και η παλινδρομική κίνηση του ελκύθρου επιτυγχάνεται είτε μέσω κιβωτίου ταχυτήτων και διάταξης ταλαντευόμενου βραχίονα και δισκοειδούς στροφάλου με πύρο ή με απλό στρόφαλο, είτε με τη βοήθεια υδραυλικής μετάδοσης κίνησης. Η οριζόντια βραχεία πλάνη με υδραυλική μετάδοση κίνησης, συγκριτικά με πλάνη εφοδιασμένη με διάταξη ταλαντευόμενου βραχίονα και δισκοειδούς στροφάλου, παρουσιάζει δυο σημαντικά πλεονεκτήματα. Το πρώτο είναι, ότι η ταχύτητα του ελκύθρου στην ενεργό του διαδρομή είναι σχεδόν ομοιόμορφη. Το δεύτερο πλεονέκτημα είναι ότι είναι δυνατή η συνεχής μεταβολή της ταχύτητας του ελκύθρου, άρα και η επιλογή της καταλληλότερης ταχύτητας κοπής για το πλάνισμα, που κάθε φορά πρόκειται να εκτελέσουμε. Πέρα από αυτά τα δυο πλεονεκτήματα το υδραυλικό σύστημα μετάδοσης παρουσιάζει ένα σημαντικό μειονέκτημα, που δεν είναι άλλο από το υψηλό κόστος αγοράς της πλάνης που το φέρει. Τα προδιαγραφόμενα στοιχεία της οριζόντιας βραχείας πλάνης είναι τα εξής [5]: - Μέγιστη ωφέλιμη διαδρομή Η, σε mm - Περιοχή συχνότητας ενεργών διαδρομών ελκύθρου ή κύκλων κατεργασίας, κύκλοι / min - Μέγιστη εγκάρσια διαδρομή τράπεζας σε mm - Μέγιστη απόσταση μεταξύ τράπεζας και κατώτερης επιφάνειας ελκύθρου σε mm - Διαστάσεις τράπεζας: μήκος l σε mm x πλάτος b σε mm x ύψος h σε mm 48

51 - Αριθμός και διαστάσεις αυλάκων της τράπεζας, διατομής Τα - Περιοχή πρόωσης τράπεζας σε mm / κύκλο ή σε mm / ενεργή διαδρομή - Ονομαστική ισχύς ηλεκτροκινητήρα κύριας κίνησης, σε PS ή kw - Συνολικές διαστάσεις πλάνης μήκος σε mm x πλάτος σε mm x ύψος σε mm - Συνολικές διαστάσεις κιβωτίου για μεταφορά μήκος σε mm x πλάτος σε mm x ύψος σε mm - Συνολικό καθαρό βάρος, σε kg ή dan Η κατακόρυφη βραχεία πλάνη Στο σχήμα 29 εικονίζεται μια κατακόρυφη βραχεία πλάνη με την ονοματολογία των κύριων μερών της τα οποία είναι το έλκυθρο, η κυκλική περιστρεφόμενη τράπεζα, ο κορμός, η βάση και ο εργαλειοδέτης (Εικόνα 2.28). Εικόνα 2.28 Η κατακόρυφη βραχεία πλάνη: Α: έλκυθρο, Γ: κυκλική περιστρεφόμενη τράπεζα, Δ: κορμός, Ε: βάση Ζ: εργαλειοδέτης Η τράπεζα της κατακόρυφης βραχείας πλάνης είναι κυκλική και περιστρεφόμενη. Έχει τη δυνατότητα μηχανικής κίνησης της πρόωσης, διακοπτόμενης και εδώ, δια μήκους και εγκάρσια στο οριζόντιο επίπεδο. Επίσης, η περιστρεφόμενη αυτή τράπεζα μπορεί να μας δώσει και μηχανική κυκλική (περιφερειακή) πρόωση (μέσω ενός ζεύγους ατέρμονα κοχλία - οδοντοτροχού) με την έννοια, ότι η τράπεζα περιστρέφεται κατά μια καθορισμένη μικρή γωνία στο τέλος κάθε νεκρής διαδρομής του ελκύθρου. 49

52 Η παλινδρομική κίνηση δίνεται στο έλκυθρο τόσο με μηχανισμό στροφάλου όσο και με ζεύγος ατέρμονα κοχλία οδοντωτού κανόνα ή με υδραυλική μετάδοση. Τα προδιαγραφόμενα στοιχεία της κατακόρυφης βραχείας πλάνης (slotter) είναι τα εξής [5]: - Μέγιστη διαδρομή ελκύθρου Η, σε mm - Μέγιστη γωνία περιστροφής ελκύθρου σε μοίρες - Μέγιστη απόσταση μεταξύ τράπεζας και ολισθητήρων ελκύθρου σε mm - Μέγιστη εγκάρσια διαδρομή τράπεζας σε mm - Μέγιστη διαμήκης διαδρομή τράπεζας σε mm - Διάμετρος τράπεζας, σε mm ή διαστάσεις τράπεζας (μήκος σε mm x πλάτος σε mm) - Περιοχή συχνότητας ενεργών διαδρομών ελκύθρου ή κύκλων κατεργασίας σε κύκλους / min - Ονομαστική ισχύς ηλεκτροκινητήρα κύριας κίνησης, σε PS ή kw - Συνολικές διαστάσεις πλάνης μήκος σε mm x πλάτος σε mm x ύψος σε mm - Συνολικές διαστάσεις κιβωτίου για μεταφορά μήκος σε mm x πλάτος σε mm x ύψος σε mm - Συνολικό καθαρό βάρος, σε kg ή dan Η τραπεζοπλάνη (ή γεφυροπλάνη) Στο σχήμα 30 εικονίζεται μια τραπεζοπλάνη με την ονοματολογία των κύριων μερών της τα οποία είναι το εγκάρσιο φορείο, η τράπεζα, ο πλαισιωτός κορμός, η βάση και οι εργαλειοφόρες κεφαλές (Εικόνα 2.29). Οι τραπεζοπλάνες είναι βαριές και μεγάλου μεγέθους εργαλειομηχανές και τις χρησιμοποιούμε για πλάνισμα εκχόνδρισης και αποπεράτωσης. Τις συναντάμε με ένα ή δυο ορθοστάτες και είναι εφοδιασμένες με μια ή με δυο εργαλειοφόρες κεφαλές στο εγκάρσιο εργαλειοφορείο. Κατά το πλάνισμα στην τραπεζοπλάνη η πρωτεύουσα κίνηση εκτελείται από την τράπεζα, ενώ η κίνηση της πρόωσης και οι άλλες αναγκαίες ρυθμιστικές κινήσεις γίνονται από το εγκάρσιο εργαλειοφορείο, τις εργαλειοφόρες κεφαλές και τους εργαλειοδέτες. Έτσι, οι κινήσεις που απαιτούνται για τη ρύθμιση του βάθους κοπής στο πλάνισμα οριζόντιων επιφανειών γίνονται με κατακόρυφη μετακίνηση του εγκάρσιου εργαλειοφορείου και του εργαλειοδέτη της αντίστοιχης κεφαλής, ενώ η κίνηση της πρόωσης επιτυγχάνεται με διακοπτόμενη μετακίνηση της αντίστοιχης εργαλειοφόρου κεφαλής κατά μήκος του εγκάρσιου εργαλειοφορείου. Στο πλάνισμα κατακόρυφων επιφανειών, το βάθος κοπής γίνεται με οριζόντια μετακίνηση του 50

53 εργαλειοδέτη της αντίστοιχης εργαλειοφόρου κεφαλής, που προσαρμόζεται στον ορθοστάτη, ενώ η κίνηση της πρόωσης πραγματοποιείται με κατακόρυφη διακοπτόμενη μετατόπιση της αντίστοιχης εργαλειοφόρου κεφαλής. Εικόνα 2.29 Τα κύρια μέρη μιας τραπεζοπλάνης: Α: ο πλαισιωτός κορμός, Β: το εγκάρσιο φορείο, Γ: η τράπεζα, Ε: η βάση Δ: οι εργαλειοφόρες κεφαλές Η κίνηση της τράπεζας της τραπεζοπλάνης επιτυγχάνεται με διάφορους τρόπους. Σε παλαιού τύπου τραπεζοπλάνες χρησιμοποιείται το ζεύγος οδοντωτού κανόνα οδοντωτού τροχού με ευθεία ή ελικοειδή οδόντωση. Ο οδοντωτός κανόνας προσαρμόζεται στην τράπεζα και η κίνηση μεταδίδεται από τον ηλεκτροκινητήρα με ενδιάμεσους οδοντοτροχούς. Η παλινδρόμηση της τράπεζας επιτυγχάνεται με τη βοήθεια κατάλληλου συστήματος ελέγχου. Άλλος τρόπος μετάδοσης κίνησης στην τράπεζα, που εφαρμόζεται σε νεότερες τραπεζοπλάνες, είναι με το ζεύγος ατέρμονα κοχλία οδοντωτού κανόνα, που παρέχει πιο ήσυχη και πιο ομαλή κίνηση. Τέλος, στις τραπεζοπλάνες χρησιμοποιείται επίσης η υδραυλική μετάδοση κίνησης, με την οποία επιτυγχάνεται ομαλή και χωρίς κραδασμούς κίνηση της τράπεζας. Τα προδιαγραφόμενα στοιχεία της τραπεζοπλάνης είναι τα εξής [5]: - Μέγιστες διαστάσεις κατεργαζόμενου τεμαχίου (μήκος σε mm x πλάτος σε mm x ύψος σε mm) - Μέγιστη διαδρομή τράπεζας σε mm - Μέγιστη κατακόρυφη διαδρομή εργαλειοφορέα σε mm - Περιοχή ταχύτητας τράπεζας κατά την ενεργό διαδρομή σε m / min 51

54 - Περιοχή πρόωσης σε mm / κύκλο - Μέγιστο επιτρεπόμενο βάρος κατεργαζόμενου τεμαχίου σε kg ή dan - Ονομαστική ισχύς ηλεκτροκινητήρα κύριας κίνησης, σε PS ή kw - Συνολικές διαστάσεις πλάνης μήκος σε mm x πλάτος σε mm x ύψος σε mm - Συνολικές διαστάσεις κιβωτίου για μεταφορά μήκος σε mm x πλάτος σε mm x ύψος σε mm - Συνολικό καθαρό βάρος, σε kg ή dan 52

55 2.5 Διάτρηση και Δράπανα Για να κατεργαστούμε γενικά οπές ή κοίλα έχουμε στη διάθεσή μας μια ποικιλία από μεθόδους, που μας δίνουν κυμαινόμενη ακρίβεια και μεταβαλλόμενο βαθμό τραχύτητας της επιφάνειας. Μία από τις βασικές μεθόδους που χρησιμοποιούμαι είναι η διάτρηση, που είναι κατάλληλη για να ανοίγουμε από την αρχή διαμπερείς ή τυφλές κυλινδρικές τρύπες, καθώς επίσης και να διευρύνουμε ή να τελειοποιήσουμε υφιστάμενες τρύπες. Υπάρχουσες τρύπες μπορούμε να τις κατεργαστούμε περαιτέρω, είτε για να τις διευρύνουμε σε όλο το μήκος, είτε για να δώσουμε σε αυτές μεγαλύτερη ακρίβεια και βελτιωμένη τραχύτητα της επιφάνειας με γλύφανση, με εσωτερική τόρνευση (για οπές μεγάλης σχετικά διαμέτρου), με λείανση ή με χονιγκ. Ακόμη είναι δυνατόν σε υπάρχουσες τρύπες να κάνουμε μερική διεύρυνση, να ανοίξουμε σπείρωμα ή να διαμορφώσουμε τα άκρα τους. Οι παραπάνω κατεργασίες σε οπές μαζί με τη γλύφανση είναι κατεργασίες παρόμοιες ή συναφείς με την διάτρηση, με την έννοια ότι το κοπτικό εργαλείο περιστρέφεται (πρωτεύουσα κίνηση), ενώ συγχρόνως προωθείται αξονικά (κίνηση πρόωσης) και ότι όλες αυτές είναι δυνατόν να πραγματοποιηθούν στο δράπανο [10]. Θα πρέπει ακόμα να αναφέρουμε, ότι τρύπες χαμηλής όμως ποιότητας μπορούμε να ανοίξουμε σε ελάσματα με αποκοπή, καθώς επίσης μπορούμε να δημιουργήσουμε τρύπες σε χυτά κομμάτια με χύτευση, οι οποίες όμως έχουν τις περισσότερες φορές ανάγκη αποπεράτωσης. Τέλος, δεν πρέπει να παραλείψουμε τις μη συμβατικές μεθόδους αφαίρεσης μετάλλου, οι οποίες προσφέρονται σε ορισμένες περιπτώσεις για το άνοιγμα οπών (αφαίρεση μετάλλου με ηλεκτρικό σπινθήρα, ηλεκτροχημική αφαίρεση μετάλλου κ.α.). Στη συνέχεια του κεφαλαίου, θα ασχοληθούμε με τη διάτρηση, η οποία είναι η ευρύτερα χρησιμοποιούμενη στην πράξη κατεργασία για το άνοιγμα οπών και θα προσπαθήσουμε να περιγράψουμε τη μορφολογία και τις προδιαγραφές των δραπάνων Η κινηματική της Διάτρησης Εικόνα 2.30 Η κινηματική της διάτρησης 53

56 Με τη διάτρηση, ανοίγουμε κυλινδρικές οπές σε τεμάχια (Εικόνα 2.31 ) ή διευρύνουμε ή αποπερατώνουμε υπάρχουσες οπές με κοπτικό εργαλείο, το ελικοειδές τρυπάνι (Εικόνα 2.32 ), το οποίο συνήθως έχει δυο κύριες κόψεις [5]. Κατά την διάτρηση συνήθως το τρυπάνι περιστρέφεται γύρω από τον κατακόρυφο άξονα του (πρωτεύουσα κίνηση) και ταυτόχρονα προωθείται αξονικά (κίνηση πρόωσης) συνεχώς εντός του προς διάτρηση τεμαχίου. Το τρυπάνι στερεώνεται με ασφάλεια, με τη βοήθεια ειδικού σφιγκτήρα, στην υπάρχουσα κωνική υποδοχή της ατράκτου του δράπανου, ενώ το τεμάχιο συγκρατείται σταθερά στην τράπεζα του. Στην πράξη, συναντάμε, σπανιότερα όμως και σε ειδικές περιπτώσεις, δυο άλλες κινηματικές παραλλαγές. Κατά την πρώτη, το τρυπάνι παραμένει σταθερό, ενώ το τεμάχιο περιστρέφεται και προωθείται. Κατά την δεύτερη, το τεμάχιο περιστρέφεται και το τρυπάνι προωθείται οριζόντια. Ο τελευταίος τρόπος διάτρησης ενδείκνυται στη μορφοποίηση οπών μεγάλου μήκους με ειδικό τρυπάνι, γιατί αποδίδει μεγαλύτερη ακρίβεια, κυρίως ακρίβεια μορφής. Εικόνα 2.31 Οπές που ανοίγονται με διάτρηση Το Δράπανο Εικόνα 2.32 Το ελικοειδές τρυπάνι Η εργαλειομηχανή όπου εκτελείται η διάτρηση είναι το δράπανο, του οποίου σχηματική παράσταση και ονοματολογία των κύριων μερών του δίνονται στην εικόνα

57 Εικόνα 2.33 Σχηματική παράσταση ενός δραπάνου στήλης: Α: σταθερή κεφαλή, Β: ρυθμιζόμενη κεφαλή, Γ: κύρια άτρακτος, Δ: τράπεζα, Ε: στήλη Ζ: βάση Παρακάτω, θα επιχειρήσουμε μια σύντομη αλλά όσο το δυνατόν πληρέστερη αναφορά στα είδη και τη μορφολογία των δραπάνων, καθώς επίσης και στα τεχνικά χαρακτηριστικά (προδιαγραφόμενα στοιχεία) του Είδη και μορφολογία δραπάνου Η μεγάλη ποικιλία σε μορφή και σε μέγεθος των κομματιών από το μια πλευρά και η απαιτούμενη στάθμη ποιότητας των οπών που ανοίγουμε ή αποπερατώνουμε στο δράπανο από την άλλη, οδήγησαν στην ανάπτυξη και χρησιμοποίηση δραπάνων σε διάφορα είδη, μορφές και μεγέθη. Έτσι, ανάλογα με το βάρος τους, κατατάσσονται σε ελαφρά δράπανα, μέσου βάρους και σε βαριά. Με κριτήριο την διεύθυνση της κύριας ατράκτου τους, διακρίνουμε τα δράπανα σε κατακόρυφα και σε οριζόντια. Το κατακόρυφο δράπανο είναι εκείνο που χρησιμοποιείται ευρύτερα. Ανάλογα πάλι με τον τρόπο με τον οποίο προσδίδεται στα δράπανα η ισχύς τα συναντάμε ως χειροκίνητα, μηχανοκίνητα και αεροκίνητα [10]. Εδώ, θα ασχοληθούμε συνοπτικά μόνο με τα μηχανοκίνητα δράπανα, που είναι στην ουσία βασικές παραγωγικές εργαλειομηχανές του μηχανουργείου. Στα δράπανα αυτά ανήκουν: Το επιτραπέζιο δράπανο Είναι ένα απλό και ελαφρύ δράπανο συνήθως πολύστροφο και χρησιμοποιείται για ελαφρές εργασίες. 55

58 Το δράπανο ορθοστάτη Εικόνα 2.34 Το δράπανο ορθοστάτη Είναι το δράπανο που χρησιμοποιείται περισσότερο στο μηχανουργείο (Εικόνα 2.34). Το συναντάμε σε διάφορα μεγέθη και διάφορες παραλλαγές. Είναι κατάλληλο για μεσαίες και σε ορισμένες περιπτώσεις και για βαριές εργασίες. Το τεμάχιο, στο οποίο ανοίγουμε οπή, προσδένεται συνήθως στην τράπεζα του δραπάνου. Τα μεγάλα τεμάχια όμως μπορούν να στηριχθούν και στη βάση του. Το δράπανο στήλης αποτελεί το βασικό και αντιπροσωπευτικό είδος δραπάνου Το ακτινωτό δράπανο ή ράντιαλ Εικόνα 2.35 Ακτινωτό δράπανο με σταθερό τραπέζι: Α: Στήλη, Β: Βραχίονας, Γ: Κεφαλή, Δ: Τράπεζα Ε: Βάση 56

59 Είναι σχεδιασμένο και κατασκευασμένο για να εκτελεί εργασίες σε μεγάλα και βαριά κομμάτια και για παραγωγή κατά μονάδα, καθώς επίσης, και για παραγωγή σε παρτίδες. Στο ακτινωτό δράπανο (Εικόνα 2.35), λόγω της δυνατότητας μετακίνησης που έχει η εργαλειοφόρος κεφαλή του, είναι δυνατόν με ένα και μόνο δέσιμο του τεμαχίου, να κατεργαστούμε όλες τις τρύπες του. Αυτό προφανώς μας προφυλάσσει από σφάλματα κυρίως στη θέση των κέντρων των οπών, τα οποία μπορούν να προέλθουν από διαδοχικές, για το άνοιγμα κάθε τρύπας, προσδέσεις του τεμαχίου. Το δράπανο αυτό αποτελείται από τη στήλη, που στηρίζεται κατάλληλα στη βάση του. Στη στήλη προσαρμόζεται ο βραχίονας που φέρει την εργαλειοφόρο μηχανή, στην οποία προσδένεται το τρυπάνι. Ο βραχίονας αυτός έχει δυνατότητα να περιστρέφεται γύρω από τη στήλη και να ανεβοκατεβαίνει, ενώ η εργαλειοφόρος κεφαλή μπορεί να μετακινείται σε ολισθητήρες κατά μήκος του βραχίονα. Η τράπεζα του ακτινωτού δραπάνου στην οποία στηρίζεται το κομμάτι είναι σταθερή, άρα, και το κομμάτι παραμένει σταθερό. Έτσι, η άτρακτος του δραπάνου, που φέρει το τρυπάνι, έχοντας από τη μια πλευρά τη δυνατότητα μετακίνησης κατά την κατακόρυφη διεύθυνση και από την άλλη την δυνατότητα περιστροφής και ακτινικής μετατόπισης στο οριζόντιο επίπεδο μπορεί κάθε φορά να παίρνει με ακρίβεια θέση πάνω από το κέντρο κάθε τρύπας, που πρόκειται να ανοιχθεί ή να αποπερατωθεί Το δράπανο μεταφοράς ( Εικόνα 2.36 Το δράπανο μεταφοράς Είναι ένα δράπανο με πολλές ατράκτους, όπου οι άτρακτοι διατάσσονται στη σειρά και παίρνουν κίνηση είτε όλες μαζί από μια κεντρική μετάδοση κίνησης, είτε η μια ανεξάρτητα από την άλλη, από ξεχωριστό ηλεκτροκινητήρα (Εικόνα 2.36). Το δράπανο αυτό βρίσκει εφαρμογές σε περιπτώσεις που σε τρύπες γίνονται διαδοχικά διαφορετικές κατεργασίες (τρυπάνισμα εκχονδρίσεως, τρυπάνισμα αποπερατώσεως, εμβύθιση, γλύφανση, κ.α), για άνοιγμα στο ίδιο κομμάτι, πολλών 57

60 οπών με διαφορετική διάμετρο ή ακόμα και για άνοιγμα οπών του ίδιου μεγέθους στη σειρά. Το κομμάτι συνήθως προσδένεται σε κατάλληλη ιδιοσυσκευή και μεταφέρεται από τη μια θέση (άτρακτο) στην άλλη από το χειριστή του δραπάνου αυτού ή και αυτόματα σε μετακίνηση της τράπεζας Το πολυάτρακτο δράπανο Εικόνα 2.37 Το πολυάτρακτο δράπανο ( Είναι δράπανο μαζικής παραγωγής και έχει ως σκοπό να ανοίγει συγχρόνως πολλές τρύπες, με διαφορετική συνήθως διάμετρο, σε διάφορες θέσεις στο ίδιο κομμάτι (Εικόνα 2.37). Κατασκευάζεται κατά κανόνα ως κατακόρυφο δράπανο. Η κίνηση πρόωσης εκτελείται ως επί το πλείστον από την τράπεζα, μέσω κατάλληλου μηχανισμού μετάδοσης της μεταφορικής κίνησης. Έτσι, αποφεύγεται η μετακίνηση της βαριάς εργαλειοφόρου κεφαλής του δράπανου αυτού. Η οδήγηση των τρυπανιών γίνεται με τη βοήθεια κατάλληλης πλάκας με βαμμένα χαλύβδινα δακτυλίδια Το πυργωτό δράπανο Σε αυτό το δράπανο η εργαλειοφόρος κεφαλή, στην οποία προσδένονται διάφορα τρυπάνια συνήθη ή ειδικά και συναφή εργαλεία, έχει δυνατότητα περιστροφής έτσι, ώστε κάθε φορά να παίρνει θέση για εργασία ένα από τα εργαλεία αυτά. Η περιστροφή της κεφαλής γίνεται αυτόματα. Σε ένα τέτοιο δράπανο είναι δυνατή και η πλήρης αυτοματοποίηση και με ψηφιακή καθοδήγηση Το δράπανο για βαθιές οπές Κατασκευάζεται συνήθως οριζόντιο και χρησιμοποιεί το ειδικό τρυπάνι για βαθιές οπές. Το συναντάμε τόσο ως μονοάτρακτο, όσο και ως πολυάτρακτο. Έχει μορφή τόρνου και συνήθως το τρυπάνι παραμένει σταθερό και περιστρέφεται το τεμάχιο. 58

61 Εφαρμογές βρίσκει στην κατεργασία καννών όπλων, στο άνοιγμα οπών σε μεγάλου μήκους ατράκτους, σε διωστήρες και σε άλλα κομμάτια Τεχνικά χαρακτηριστικά δράπανου Βασικό προδιαγραφόμενο μέγεθος του δράπανου, αποτελεί η μέγιστη διάμετρος του τρυπάνου (ονομαστική διάμετρος) για κατεργασία χάλυβα μέγιστης αντοχής σ Β = dan/mm 2. Το μέγεθος αυτό χαρακτηρίζει αυτό που ονομάζουμε ικανότητα διάτρησης του δράπανου. Κύρια και δευτερεύοντα τεχνικά χαρακτηριστικά του δράπανου είναι τα εξής [5]: - Μέγιστη διάμετρος τρυπάνου D (mm) - Κώνος Morse ατράκτου - Κώνος Morse σφιγκτήρα - Μέγιστη διαδρομή τρυπάνου (mm) - Απόσταση άξονα ατράκτου από τη στήλη, Α (mm) - Μέγιστο ύψος ατράκτου από την τράπεζα, H 1 (mm) - Μέγιστο ύψος ατράκτου από την πλάκα βάσης, Η 2 (mm) - Διαστάσεις τράπεζας (mm x mm) - Διαστάσεις πλάκας βάσης (mm x mm) - Αριθμός περιστροφικών ταχυτήτων - Περιοχή περιστροφικών ταχυτήτων (στροφές / min) - Αριθμός προώσεων - Περιοχή προώσεων (mm / στροφές) - Ονομαστικής ισχύς (PS ή kw) 59

62 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Οι Εργαλειομηχανές Αριθμητικού Ελέγχου 3.1 Εισαγωγή Η λειτουργία όλων των μηχανικών διατάξεων και των μηχανών απαιτεί, πάντα, κάποιο βαθμό καθοδήγησης και ελέγχου. Όσο πιο πολύπλοκη είναι η μηχανική διάταξη, τόσο πιο σύνθετη είναι η καθοδήγηση της και τόσο δυσκολότερος ο έλεγχός της. Η παραδοσιακή δομή ελέγχου και καθοδήγησης μηχανικών διατάξεων από το χειριστή τους, συνεχώς υποβοηθείται ή αντικαθίσταται από κάποιο βαθμό αυτοματοποίησης. Στην εξέλιξη αυτή δεν θα μπορούσε να μη συμμετέχει η μηχανουργική τεχνολογία, και ιδιαίτερα οι εργαλειομηχανές. Στις περιόδους υψηλής οικονομικής, εμπορικής και στρατιωτικής ανάπτυξης που ακολούθησαν το δεύτερο παγκόσμιο πόλεμο, η αυτοματοποίηση των εργαλειομηχανών τέθηκε ως ο βασικότερος στόχος. Οι λόγοι της εξέλιξης αυτής προέκυψαν από την ανάγκη παραγωγής μεγάλων παρτίδων πανομοιότυπων τεμαχίων, με μικρό κόστος κατεργασίας και μεγάλη ακρίβεια κατασκευής. Η ανάπτυξη εξελιγμένων δομικών στοιχείων εργαλειομηχανών, δηλαδή των στοιχείων που αποτελούν τον κορμό τους αλλά και των ιδιαίτερα ανθεκτικών κοπτικών εργαλείων, ώθησαν την παγκόσμια μηχανουργική παραγωγή σε υψηλά επίπεδα. Όμως, είναι γεγονός ότι οι παραγωγικές δυνατότητες των συμβατικών εργαλειομηχανών περιορίζονται αρκετά από την ικανότητα του χειριστή τους. Έτσι, η ποιότητα της εργασίας και η παραγωγικότητα του τεχνίτη είναι μια παράμετρος που εξαρτάται από την εμπειρία, την εκπαίδευση, τη φυσική κατάσταση, ακόμα και την ψυχολογία και την διάθεσή του. Είναι, λοιπόν, φυσικό η εξέλιξη των εργαλειομηχανών να κινηθεί προς την κατεύθυνση του αυτομάτου ελέγχου τους και τη μείωση του ποσοστού συμμετοχής του χειριστή κατά τη λειτουργία τους. Στην προσπάθεια αυτή δεν θα μπορούσε να μείνει αμέτοχη η τεχνολογία των υπολογιστών, η οποία γνώρισε εκρηκτική ανάπτυξη τα τελευταία πενήντα χρόνια του 20 ου αιώνα. Όπως μάλιστα θα φανεί και παρακάτω, οι αυτοματοποιημένες εργαλειομηχανές ακολούθησαν την ανάπτυξη της επιστήμης της πληροφορικής. 3.2 Βασικοί ορισμοί Η έννοια αριθμητικός έλεγχος (Numerical Control ή NC) ταυτίζεται σχεδόν με τις μηχανουργικές κατεργασίες και τις εργαλειομηχανές. Ο αριθμητικός έλεγχος δίδει τη δυνατότητα στο χειριστή να έχει μια μορφή «επικοινωνίας» με την εργαλειομηχανή και να την «καθοδηγεί» μέσω μιας ακολουθίας γραμμάτων και αριθμών, δηλαδή ενός κώδικα. Ο κώδικας αυτός αντικαθιστά, σε μεγάλο ποσοστό, τις επιμέρους χειρωνακτικές εργασίες του χειριστή, οι οποίες πλέον εκτελούνται αυτόματα, με μεγαλύτερη ακρίβεια και δυνατότητα συνεχών επαναλήψεων. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω της μονάδας ελέγχου της εργαλειομηχανής (Machine Control Unit, MCU), η οποία βρίσκεται πάνω στην εργαλειομηχανή και ελέγχει τις λειτουργίες της. Οι 60

63 εργαλειομηχανές που λειτουργούν με τον τρόπο αυτό ονομάζονται ψηφιακά καθοδηγούμενες εργαλειομηχανές (NC) [11]. Πέρα από τις NC εργαλειομηχανές, υπάρχουν και οι ψηφιακά καθοδηγούμενες εργαλειομηχανές με υπολογιστή (CNC), στις οποίες ανάμεσα στο χειριστή και στη μονάδα ελέγχου της εργαλειομηχανής NC παρεμβάλλεται, για λόγους ευκολότερου και πιο αποδοτικού χειρισμού, ένας υπολογιστής. Με τον τρόπο αυτό, η λειτουργία της εργαλειομηχανής αυτοματοποιείται περισσότερο, ενώ ο έλεγχος της μπορεί να γίνεται πλέον και από απόσταση (remote control). H CNC καθοδήγηση έχει το πλεονέκτημα της συνεργασίας της με συστήματα σχεδίασης (Computer Aided Design, CAD) και συστήματα κατεργασιών (Computer Aided Manufacturing, CAM) με υπολογιστή, καθώς επίσης δίδεται η δυνατότητα ένταξης της σε ολοκληρωμένα συστήματα παραγωγής με υπολογιστές (Computer Integrated Manufacturing, CIM) και ευέλικτα συστήματα παραγωγής (Flexible Manufacturing Systems, FMS). Επιπλέον, ένα μεγάλο ποσοστό υπολογισμών και διαδικασιών ελέγχου καθοδήγησης διεξάγονται στον υπολογιστή ταχύτερα και με μικρότερο κόστος. Για όλα αυτά όμως θα γίνει εκτενέστερη αναφορά σε επόμενα κεφάλαια. Όλες οι διαδικασίες καθοδήγησης και ελέγχου των εργαλειομηχανών NC και CNC από το χειριστή τους είναι μονόδρομες. Ο τεχνικός NC ή CNC καθορίζει την ακολουθία των κινήσεων της εργαλειομηχανής, τις τιμές των συνθηκών κατεργασίας (πρόωση, βάθη κοπής, ταχύτητα κοπής, κ.λπ.), ελέγχει τη χρήση ή όχι του υγρού κοπής, διαχειρίζεται τα κοπτικά εργαλεία, κ.λπ.. Για όλα αυτά, συντάσσει ένα πρόγραμμα καθοδήγησης σε τυποποιημένη γλώσσα προγραμματισμού (κώδικας), μεταφέρει τον κώδικα στη μονάδα ελέγχου και ενεργοποιεί την εκτέλεση του προγράμματος. Είναι αναμφισβήτητο λοιπόν ότι αυτή η αλληλουχία είναι αυτοματοποιημένη. Όμως, η πρόοδος της τεχνολογίας και, ιδιαίτερα, η ανάπτυξη των αισθητήρων (sensors) και των συστημάτων αυτομάτου ελέγχου (ΣΑΕ), επιτρέπει στους κατασκευαστές εργαλειομηχανών να πάνε ένα βήμα παραπέρα. Το βήμα αυτό είναι ο σχεδιασμός "σκεπτόμενων" διατάξεων, οι οποίες ανάλογα με την εξέλιξη της μηχανουργικής κατεργασίας, παίρνουν αποφάσεις και επεμβαίνουν στο πρόγραμμα καθοδήγησης. Οι μηχανές αυτές χαρακτηρίζονται άμεσα καθοδηγούμενες εργαλειομηχανές με υπολογιστή (Direct Numerical Control -DNC). Εάν, λοιπόν, σε μία τυπική περίπτωση τόρνευσης με NC ή CNC τόρνο, επιλεγεί, κατά λάθος, και προγραμματισθεί απαράδεκτη πρόωση κοπής, ο χειριστής πρέπει να διαβάσει την αντίστοιχη ένδειξη στον πίνακα ελέγχου της εργαλειομηχανής, να σταματήσει την εκτέλεση του προγράμματος και, αφού το διορθώσει, να το ενεργοποιήσει ξανά. Οι DNC εργαλειομηχανές είναι συνδεδεμένες με έναν κεντρικό υπολογιστή, μέσω του οποίου λαμβάνουν εντολές για εκτέλεση εργασιών, αλλά και αντλούν πληροφορίες από σχετικές βάσεις πληροφοριών [11]. Στις DNC εργαλειομηχανές μπορεί να ελέγχεται αυτόματα η ταχύτητα κοπής, η χρήση ψυκτικού υγρού, η φθορά των κοπτικών εργαλείων, κ.λπ.. Ιδιαίτερα για τη 61

64 φθορά των κοπτικών εργαλείων, πολλές ψηφιακά καθοδηγούμενες εργαλειομηχανές διαθέτουν ειδικές μετρητικές διατάξεις στις οποίες μετρώνται τα κοπτικά εργαλεία, σε τακτά χρονικά διαστήματα, κατά τη διάρκεια μιας κατεργασίας. Στην περίπτωση που, για το εξεταζόμενο κοπτικό εργαλείο, διαπιστωθεί μεγάλη απόκλιση από τις προβλεπόμενες διαστάσεις, η κατεργασία συνεχίζεται αυτόματα με νέο (όμοιο) κοπτικό εργαλείο (sister tool). Είναι εύκολο λοιπόν να καταλάβουμε γιατί οι παραδοσιακές εργαλειομηχανές χαρακτηρίζονται σήμερα ως συμβατικές. Η χρήση των εργαλειομηχανών με ψηφιακή καθοδήγηση, εμφανέστατα επιφέρει εντυπωσιακή αύξηση της παραγωγικότητας, αλλά απαιτεί και εξειδικευμένους χειριστές. Η σταδιακή, μάλιστα, διάχυση εργαλειομηχανών αυτής της τεχνολογίας στα ελληνικά μηχανουργεία, απαιτεί ολοένα και περισσότερο χειριστές που απέχουν πολύ από την παραδοσιακή μορφή του μηχανουργού. Στο παρακάτω υποκεφάλαιο θα επιχειρήσουμε μια σύντομη ιστορική αναδρομή των εργαλειομηχανών αριθμητικού ελέγχου, προσπαθώντας να αναλύσουμε το πώς η τεχνολογία των ψηφιακά καθοδηγούμενων εργαλειομηχανών ωρίμασε τόσο, ώστε σήμερα όλοι να μιλούν για κατάργηση των συμβατικών εργαλειομηχανών. 3.3 Ιστορική αναδρομή των ψηφιακά καθοδηγούμενων εργαλειομηχανών Η εξέλιξη του αριθμητικού ελέγχου στη μηχανουργική τεχνολογία, όπως θα φανεί στο υποκεφάλαιο αυτό, στηρίζεται σε βασικές αρχές, που αναπτύχθηκαν πολλούς αιώνες πριν. Αρχικές προσπάθειες έχουν καταγραφεί στην Κίνα και στην Ελλάδα, με αντιπροσωπευτικότερη τον «Μηχανισμό των Αντικυθήρων», o οποίος χρησιμοποιούνταν πιθανώς για αστρονομικούς και ημερολογιακούς υπολογισμούς. Βρέθηκε το σε αρχαίο ναυάγιο κοντά στα Αντικύθηρα από σφουγγαράδες της Σύμης. Ο μηχανισμός του ήταν ιδιαίτερα σύνθετος, έχοντας εσωτερικά 32 οδοντωτούς τροχούς ενώ είχε επιγραφές για το ζωδιακό κύκλο και τους μήνες (Εικόνα 3.1). Εικόνα 3.1 Ο μηχανισμός των Αντικυθήρων 62

65 Πολύ αργότερα, και πιο συγκεκριμένα, τον 14 αιώνα, η ιδέα του ελέγχου μηχανικών διατάξεων μέσω ακολουθίας πληροφοριών, όπως είναι και ο αριθμητικός έλεγχος, εμφανίζεται στην κίνηση διακοσμητικών μορφών σε ρολόγια μεγάλων εκκλησιών. Το 1642 ο Blaise Pascal ( ), κατασκεύασε τον πρώτο μηχανικό υπολογιστή, χρησιμοποιώντας ένα περίπλοκο σύστημα οδοντωτών τροχών (Εικόνα 3.2). Εικόνα 3.2 O Blaise Pascal και ο πρώτος μηχανικός υπολογιστής Σχεδόν δύο αιώνες μετά, το 1808, ένας Γάλλος κλωστοϋφαντουργός και εφευρέτης, ο Joseph Jacquard, χρησιμοποίησε διάτρητες μεταλλικές κάρτες σε υφαντικές μηχανές και κατόρθωσε να αναπαράγει με ταχύτητα πολύπλοκα σχέδια σε υφάσματα. Περίπου 55 χρόνια αργότερα ανακαλύφθηκε το μηχανικό πιάνο. Η λειτουργία του βασιζόταν στη διέλευση αέρα μέσα από ένα κατάλληλα τρυπημένο και κινούμενο ρολό χαρτιού, που ενεργοποιούσε την κίνηση των πλήκτρων. Το 1834 ολοκληρώθηκε από τον Charles Babbage ( ) ένας μηχανικός υπολογιστής, που μπορούσε να κάνει αριθμητικές πράξεις, με ακρίβεια έξι δεκαδικών ψηφίων (Εικόνα 3.3). Εικόνα 3.3 Charles Babbage και ο υπολογιστής του 63

66 Πάνω από εκατό χρόνια πέρασαν έως το 1940, χρονιά κατά την οποία ο Aiken, στις Ηνωμένες Πολιτείες, και ο Zuse, στη Γερμανία, έφτιαξαν την πρώτη ηλεκτρονική υπολογιστική διάταξη με χρήση ρελέ. Τρία χρόνια αργότερα, το 1943, κατασκευάστηκε από τους John Mauchly και Presper Eckert ο πρώτος ηλεκτρονικός υπολογιστής. Πρόκειται για το θρυλικό ENIAC (Εικόνα 3.4), ένα δημιούργημα μεγάλων διαστάσεων και βάρους τριάντα τόνων, που περιείχε 18 km καλώδια, συνδέσεις και απορροφούσε ισχύ 174 kwatt. O προγραμματισμός του ήταν μια πολύπλοκη εργασία, σχεδόν ιεροτελεστία, και απαιτούσε τη συνδυασμένη ρύθμιση 6000 διακοπτών. Η εξωπραγματική για την εποχή εκείνη υπολογιστική ισχύς είναι σήμερα σχεδόν αστεία, αφού μια κοινή αριθμομηχανή εχει πολλαπλάσιες φορές μεγαλύτερη υπολογιστική ισχύ. Εικόνα 3.4 O John Mauchly, ο Presper Eckert και ο ENIAC Χρειάστηκε να περάσουν ακόμα δεκαπέντε χρόνια και να μεσολαβήσει η ανακάλυψη των ημιαγωγών το 1948, για να αναπτυχθούν εμπορικοί επαναπρογραμματιζόμενοι ηλεκτρονικοί υπολογιστές στις αρχές του Από τότε, η αλματώδης ανάπτυξη στην ηλεκτρονική (ολοκληρωμένα κυκλώματα μικρής και μεγάλης κλίμακας, μικροεπεξεργαστές, συστήματα μαζικής αποθήκευσης και γραφικής απεικόνισης κ.λπ.) οδήγησε στη σημερινή εικόνα των υπολογιστών και επέβαλε τη σύγχρονη τεχνολογική επανάσταση. Ο σύγχρονος αριθμητικός έλεγχος των εργαλειομηχανών ξεκίνησε, όταν, κατά τη διάρκεια του πολέμου με τους Ιάπωνες στον Ειρηνικό Ωκεανό, η Αμερικανική πολεμική αεροπορία είχε εξαιρετικά μεγάλες απώλειες. Η ταχεία παραγωγή και επισκευή αεροσκαφών και ανταλλακτικών στάθηκε πραγματικός πονοκέφαλος για τους μηχανικούς της αεροπορικής βιομηχανίας. Έτσι, πέρα από τη μειωμένη παραγωγική ικανότητα των συμβατικών εργαλειομηχανών, η συνεχής παραγωγή χωρίς συντήρηση και η κόπωση των τεχνιτών οδηγούσε, συχνά, σε ελαττωματικά και επικίνδυνα τεμάχια. Ακόμα, οι απαιτήσεις της βιομηχανίας για ακόμα πιο σύνθετα τεμάχια, δεν μπορούσαν να καλυφθούν από τα συμβατικά μηχανουργεία. Έως το 64

67 1949 η εξέλιξη ήταν αργή, αφού η τεχνολογία ήταν σε πρώιμο στάδιο. Αυτήν ακριβώς τη χρονιά, ανατέθηκε στον John Pearson και στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης (ΜΙΤ) η αποστολή της ανάπτυξης αυτοματοποιημένων εργαλειομηχανών [12]. Ο Pearson και οι συνεργάτες του, πρώτοι προσδιόρισαν τις αρχές λειτουργίας των μηχανών αυτών. Σκέφτηκαν, λοιπόν, ότι χρειάζεται ένας υπολογιστής, ο οποίος θα προσδιορίζει τις διαδρομές του κοπτικού εργαλείου. Αυτές οι κινήσεις έπρεπε να αποθηκεύονται σε διάτρητες κάρτες (Εικόνα 3.5), οι οποίες αποτελούσαν το μόνο μέσω αποθήκευσης εκείνης της περιόδου. Επίσης, η μηχανή θα έπρεπε να διαθέτει ένα μέσο ανάγνωσης, ώστε να διαβάζει αυτόματα τις κάρτες αυτές. Τέλος, κρίθηκε απαραίτητη η ύπαρξη μίας κεντρικής μονάδας ελέγχου, ώστε να καθοδηγεί τους σερβοκινητήρες, που θα κινούσαν τους κοχλίες κίνησης των μηχανών. Τρία χρόνια αργότερα, το 1952, η πρώτη ψηφιακή εργαλειομηχανή, η οποία ήταν μια κατακόρυφη φρεζομηχανή, επιδείχτηκε με επιτυχία στο ΜΙΤ [12]. Η ογκώδης αυτή φρεζομηχανή είχε όλα τα παραπάνω χαρακτηριστικά και εκτελούσε ταυτόχρονες και ανεξάρτητες μεταξύ τους κινήσεις σε τρεις άξονες κατεργασίας. Αυτή η μέρα, αποτέλεσε την αρχή μιας πενηντάχρονης εκρηκτικής εξέλιξης. Το 1954, άρχισε να χτίζεται η πρώτη συμβολική γλώσσα προγραμματισμού. Ονομάστηκε "Αυτόματος Προγραμματισμός Εργαλείων" (Automatically Programmed Tool, APT) και περιέγραφε με σχετική ευκολία τη μορφή του κατεργαζόμενου τεμαχίου και τις οδηγίες προς τη μηχανή, για να το κατασκευάσει [13]. Ένα χαρακτηριστικό κομμάτι που φτιάχτηκε με την τεχνολογία εκείνης της εποχής, είναι το τασάκι (Εικόνα 3.6) που μοιράστηκε σε όλους τους παρευρισκόμενους στα πλαίσια επίδειξης της APT που έκανε το Εργαστήριο Σερβομηχανισμών του ΜΙΤ το Εικόνα 3.5 Διάτρητη κάρτα Εικόνα 3.6 Τασάκι κατασκευασμένο από την πρώτη ψηφιακά καθοδηγούμενη εργαλειομηχανή με τη βοήθεια της APT 65

68 Το 1954, η εταιρία Bendix, αγόρασε την πατέντα από τον Pearson και κατασκεύασε την πρώτη εμπορική ψηφιακά καθοδηγούμενη εργαλειομηχανή [11]. Από εκείνα τα χρόνια, η βιομηχανία κατάλαβε τη σημασία της χρήσης των μηχανών αυτών. Έτσι, άρχισε η προσπάθεια αυτοματοποίησης όλων των μηχανουργικών κατεργασιών και η ανάπτυξη αντιστοίχων NC εργαλειομηχανών. Η εξέλιξη των μικροϋπολογιστών οδήγησε στη μετάβαση από τις NC εργαλειομηχανές στις CNC εργαλειομηχανές και η ανάπτυξη των αισθητήρων και των συστημάτων αυτομάτου ελέγχου στις αντίστοιχες DNC εργαλειομηχανές. Έτσι σήμερα, από την απλή διάτρηση, έως την πολύπλοκη επεξεργασία ανάγλυφων επιφανειών, χρησιμοποιούνται απλές και φθηνές ή σύνθετες και ακριβές εργαλειομηχανές. Με την εξέλιξη αυτή, οι παραδοσιακές δομές των μηχανουργείων δε συμβαδίζουν με τις δυνατότητες και τις απαιτήσεις των νέων μηχανών αλλά και τις παραγωγικές ανάγκες του σημερινού κόσμου. Η συνεργασία των μηχανουργικών κατεργασιών με NC, CNC και DNC μηχανές με άλλες λειτουργίες που υποστηρίζονται από ηλεκτρονικό υπολογιστή, οδήγησαν στη δημιουργία των ολοκληρωμένων με υπολογιστή συστημάτων παραγωγής (CIM). Έτσι, από τη σύλληψη ενός νέου προϊόντος, αυτό σχεδιάζεται, εξελίσσεται και βελτιστοποιείται μέσω των συστημάτων ανάπτυξης (Computer Aided Engineering - CAE), που περιλαμβάνουν συστήματα σχεδίασης (CAD) και προγράμματα υπολογισμών αντοχής με τη χρήση της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων (FEM - υπολογιστική μέθοδος στατικής και δυναμικής αντοχής κατασκευών και όχι μόνο). Κατόπιν, ο προγραμματισμός των κατεργασιών γίνεται σε συστήματα CAM, λαμβάνοντας υπόψη τις τεχνολογικές παραμέτρους των κατεργασιών αυτών [13]. Τα σύγχρονα μηχανουργεία εντάσσουν τις NC, CNC και DNC εργαλειομηχανές σε ακόμα πιο σύνθετες δομές, που ονομάζονται ευέλικτα συστήματα παραγωγής (FMS). Τα συστήματα αυτά ενσωματώνουν τον ηλεκτρονικό σχεδιασμό της παραγωγής, τις αυτόματες μεταφορικές διατάξεις και αποθήκες, τα βιομηχανικά ρομπότ και τις διατάξεις ποιοτικού ελέγχου. Όλα αυτά καθοδηγούνται και εποπτεύονται από έμπειρους μηχανικούς και τεχνικούς, μέσω ενός δικτύου υπολογιστών. Με τον τρόπο αυτό, η σύγχρονη παραγωγή μετατρέπεται από σπαζοκεφαλιά σε ελεγχόμενη και απλοποιημένη διαδικασία. Η χρήση της τεχνολογίας λογισμικού και υπολογιστών, με στοιχεία τεχνητής νοημοσύνης (artificial intelligence), οδηγεί στην πρώιμη έννοια του αυτόματου εργοστασίου, στο οποίο η συμμετοχή του ανθρώπινου παράγοντα στη λήψη αποφάσεων και στην καθοδήγηση μειώνεται ακόμα περισσότερο. 66

69 3.4 Πεδίο χρησιμοποίησης εργαλειομηχανών NC, CNC και DNC Σήμερα, όλες οι συμβατικές και μη συμβατικές μηχανουργικές κατεργασίες υποστηρίζονται από ψηφιακά καθοδηγούμενες εργαλειομηχανές NC, CNC και DNC. Το γεγονός αυτό έχει, ως αποτέλεσμα, πολλές μεγάλες εταιρείες σε αρκετές χώρες του κόσμου με παράδοση στη μηχανουργική τεχνολογία, όπως είναι οι ΗΠΑ, η Γερμανία και η Ιαπωνία, να μην κατασκευάζουν πια συμβατικές εργαλειομηχανές, ήδη από την αρχή της δεκαετίας του '90. Μία από τις βασικές αιτίες για την εξέλιξη αυτή, είναι η αδυναμία των συμβατικών εργαλειομηχανών να πραγματοποιούν πολύπλοκες κατεργασίες με μεγάλες ταχύτητες. Ενώ όλες οι μηχανουργικές κατεργασίες, απλές ή σύνθετες, μπορεί να γίνουν από ψηφιακά καθοδηγούμενες εργαλειομηχανές, δεν συμβαίνει το ίδιο και με τις συμβατικές εργαλειομηχανές. Αυτό μπορούμε να το κατανοήσουμε αν εξετάσουμε τα παρακάτω απλά παραδείγματα. Παρατηρούμε ότι με την πάροδο των χρόνων οι ταχύτητες κοπής συνεχώς αυξάνονται. Σε αυτό βοηθούν τόσο η ανάπτυξη ανθεκτικότερων κοπτικών εργαλείων, όσο και η εξέλιξη των ίδιων των εργαλειομηχανών. Έτσι, οι άλλοτε υψηλές ταχύτητες κοπής των 500 m/min θεωρούνται πια συμβατικές. Κοπή σε υψηλές ταχύτητες (High Speed Cutting, HSC) σημαίνει σήμερα ταχύτητες από 1500 έως 2000 m/min [11]. Ακόμα και ο πιο έμπειρος μηχανουργός δεν μπορεί να καθοδηγήσει χειροκίνητα εργαλειομηχανές, σε ταχύτητες μεγαλύτερες από 150 m/min. Μάλιστα, σε ταχύτητες μεγαλύτερες από 500 m/min είναι δύσκολο ακόμα και να παρακολουθήσει κανείς την κίνηση του κοπτικού εργαλείου. Στην εικόνα 3.7 παρουσιάζεται η καταλληλότητα χρήσης των συμβατικών και ψηφιακών εργαλειομηχανών, για διάφορες κατεργασίες σε χαμηλές, μέσες και μεγάλες ταχύτητες. Από την εικόνα 3.7 μπορεί να γίνει αντιληπτό πως οι ψηφιακά καθοδηγούμενες εργαλειομηχανές καλύπτουν σχεδόν όλο το φάσμα κατεργασιών και ταχυτήτων. Εικόνα 3.7 Χρησιμοποίηση εργαλειομηχανών CNC σε σχέση με τις αντίστοιχες συμβατικές, με κριτήριο την ταχύτητα κοπής 67