Виды станков с ЧПУ и чем они отличаются друг от друга

Станок с числовым программным управлением относится к технологическому оборудованию, где перемещениями рабочих органов распоряжается управляющая программа, а не рука оператора. В обиходе такую машину зовут ЧПУ-станком или CNC-станком, в каталогах она проходит как станок с ЧПУ. Разновидностей внутри класса десятки, но реальный выбор сводится к восьми-десяти базовым типам.

Главное основание деления задаёт тип обработки: так различают токарные, фрезерные, сверлильные и расточные, шлифовальные, зубо- и резьбообрабатывающие, электроэрозионные, лазерные, плазменные и гидроабразивные станки, а также обрабатывающие центры.

Дальше тот же станок описывают числом осей, компоновкой, классом точности, размерной группой и ступенью автоматизации.

Как устроен станок с ЧПУ и что им управляет

Аббревиатура CNC расшифровывается как Computer Numerical Control, то есть числовое программное управление.

Команды станок берёт из управляющей программы на языке G-код. На нём же работает большинство настольных 3D-принтеров.

За исполнение отвечает УЧПУ, устройство числового программного управления. По ГОСТ 20523-80 «Устройства числового программного управления станками. Термины и определения» оно формирует управляющие сигналы по программе и по состоянию рабочих органов.

Тот же стандарт разводит пять типов систем.

• NC читает программу с носителя кадр за кадром.
• SNC считывает задание один раз и хранит его весь цикл.
• CNC работает на встроенном компьютере, и программу правят у станка.
• DNC берёт задания от общей ЭВМ на группу станков.
• HNC даёт набрать программу с пульта вручную.

Кодирование управляющих программ задаёт ГОСТ 20999-83, а подготовку задания мы разбираем в материале про программы для станка с ЧПУ.

Виды станков с ЧПУ по типу обработки

Единой правильной классификации станков с ЧПУ не существует, и это не изъян терминологии.

Одну машину описывают сразу по нескольким независимым признакам: профильные каталоги насчитывают до двенадцати таких осей, обзорные ограничиваются девятью.

Разобраться, какие станки с ЧПУ бывают, проще всего через технологию обработки. Она тянет за собой и материал, и оснастку.

Классификатор ЭНИМС, разработанный в 1937 году, делит металлорежущее оборудование на девять групп. Индекс станка читается слева направо: первая цифра отвечает за группу, вторая за тип, третья и далее за типоразмер, а буква означает поколение. В обозначении 16К20 единица указывает на токарную группу, шестёрка на токарно-винторезный тип, а 20 на высоту центров 200 мм.

По специализации парк делят на универсальные, специализированные и специальные станки, а основные типы станков с ЧПУ разобраны дальше по одному технологическому признаку.

Станки для обработки резанием

Резание остаётся базовой технологией для металла: инструмент снимает припуск стружкой.

Терминологию этих процессов задаёт ГОСТ 25762-83 «Обработка резанием. Термины, определения и обозначения общих понятий».

Кроме токарной и фрезерной групп сюда входят шлифовальные станки для финишных переходов, зубообрабатывающие для колёс и червячных пар, резьбонарезные и резьбонакатные. Допуск и геометрия инструмента у каждой группы свои, поэтому зубообрабатывающие станки мы разбираем отдельно.

Токарные станки и токарные центры

Токарный станок вращает заготовку, а инструмент ведёт по контуру. Так получают валы, втулки и фланцы.

Токарный центр отличается не мощностью, а набором управляемых движений.

Ось C делает вращение шпинделя управляемой координатой, приводной инструмент позволяет сверлить и фрезеровать прямо на токарном станке. Ось Y снимает ограничение по внецентровой обработке, противошпиндель подставляет под инструмент обратную сторону детали.

Смысл надстройки один: деталь выходит готовой за один установ, без погрешности повторного базирования. Устройство группы описано на странице про токарные станки с ЧПУ.

Сверлильные и расточные станки

Сверлильная группа закрывает отверстия по координатам, от сверления до нарезания резьбы метчиком.

Расточные станки решают другую задачу. Они обрабатывают готовые отверстия в корпусных деталях, где важны межосевое расстояние и соосность. Внутри группы классификация расточных станков идёт по компоновке и размеру планшайбы.

Типы фрезерных станков с ЧПУ

У всех типов фрезерных станков вращается инструмент, а заготовка закреплена на столе. От взаимного расположения этих узлов зависит доступная геометрия детали и жёсткость системы.

Поэтому виды фрезерных станков с ЧПУ делят сначала по компоновке и только потом по размеру и обрабатываемому материалу.

Вертикальные, горизонтальные и портальные компоновки

Вертикальная компоновка самая массовая: шпиндель стоит вертикально, оператор видит зону резания. Схема хороша для корпусных деталей, но стружка падает обратно в зону реза.

У горизонтального станка шпиндель лежит горизонтально, стружка уходит вниз сама, а поворотный стол-палета открывает доступ к четырём сторонам детали.

Портальный станок несёт шпиндель на подвижном портале над неподвижным столом. Жёсткость сохраняется на большом вылете, а масса плиты не нагружает приводы подач.

Консольные станки поднимают стол вместе с консолью, компактны, но проигрывают в жёсткости при тяжёлом резании. Бесконсольные и продольно-фрезерные схемы двигают шпиндельную бабку, оставляя стол на станине. Подробнее схемы разобраны в материале про виды фрезерных станков.

Настольные, учебные и промышленные модели

По размеру обрабатываемой детали станки делят на малогабаритные, среднегабаритные и крупногабаритные, а по типу привода на электрические, гидравлические и пневматические.

Настольные и учебные модели годятся как ориентир по габариту. Серийную деталь из конструкционной стали на них не сделать, не хватает жёсткости шпинделя.

Второй практический признак группы задаёт материал.

Деревообрабатывающее оборудование работает на высоких оборотах, и ключевой узел у него аспирация: древесная пыль взрывоопасна и убивает подшипники. Камнеобрабатывающим станкам нужна подача воды в зону реза и защита направляющих от шлама. Что важнее для цеха, мы разбираем в статье о том, как выбрать фрезерный станок.

Электроэрозионные, лазерные и гидроабразивные станки

Здесь материал снимает не лезвие, а электрический разряд, луч, плазменная дуга или струя воды с абразивом. Инструмент не давит на заготовку, поэтому тонкие рёбра и закалённые сплавы обрабатываются без деформации.

Гидроабразивная резка в этом ряду самая всеядная. Холодная струя с абразивом берёт металл, камень, стекло и композит, не меняя структуру материала. Платой становятся расход абразива и невысокая скорость.

Копировально-прошивные и проволочно-вырезные электроэрозионные станки

Электроэрозионная обработка снимает металл серией искровых разрядов между электродом и заготовкой в диэлектрической среде.

Копировально-прошивной станок вдавливает в деталь фасонный электрод. Так делают глухие полости пресс-форм и штампов. Проволочно-вырезной станок ведёт по контуру тонкую проволоку и режет насквозь, поэтому им получают матрицы, пуансоны и шаблоны.

Ограничение у класса заложено в физику метода: разряд возникает только между проводниками, поэтому такой станок работает исключительно с токопроводящими материалами.

Лазерные и плазменные станки для резки

В предложениях поставщиков лазерные станки делят по типу излучателя на диодные, СО2 и оптоволоконные, причём для резки металла берут именно оптоволоконный лазер.

СО2-излучатель лучше работает по неметаллам. Часть полимеров на лазере не режут вовсе: прозрачный для рабочей длины волны материал луч почти не поглощает, а ПВХ выделяет при нагреве хлористый водород.

Плазменная дуга замыкается через заготовку, поэтому плазменная резка применима, как правило, только к токопроводящим металлам, и рез у неё шире лазерного.

Сводное сравнение основных типов станков

Один и тот же станок описывают десятком признаков, но при выборе решают три: что он делает, с каким материалом работает и чего не может по устройству.

По этим трём осям основные виды станков с ЧПУ и сведены вместе.

Тип станка	Что делает	Материалы	Ключевое ограничение
Токарные и токарные центры	Тела вращения и резьбы	Металлы, полимеры	Деталь должна вращаться
Фрезерные и обрабатывающие центры	Плоскости, карманы, объём	Металл, дерево, камень	Доступ инструмента
Сверлильные и расточные	Отверстия и их положение	Металлы	Узкий набор переходов
Шлифовальные и зубообрабатывающие	Финиш и зубчатые профили	Закалённые стали	Малый съём за проход
Электроэрозионные	Полости и сквозные контуры	Только токопроводящие	Диэлектрики не берёт
Лазерные и плазменные	Раскрой листа	Лазер: металл и неметаллы; плазма: металл	Нагрев кромки
Гидроабразивные	Раскрой любой толщины	Почти любые	Скорость и расход абразива

Сколько осей бывает у станков с ЧПУ

Обозначение координат задаёт международный стандарт ISO 841:2001: три линейные оси X, Y, Z и три вращательные A, B, C вокруг них.

По числу управляемых осей станки делят на двух-, трёх-, четырёх- и пятиосевые. Двухосевой работает в плоскости и закрывает раскрой листа, трёхосевой добавляет вертикальное перемещение и берёт большинство фрезерных деталей. Четвёртая ось поворачивает заготовку вокруг горизонтальной оси, а пятая наклоняет инструмент или стол.

Здесь легко ошибиться в ожиданиях.

Пятиосевой станок даёт не точность, а доступ: он обрабатывает лопатку или пресс-форму за один установ, но допуск не ужесточает. Точность определяют класс станка, жёсткость системы и температурная стабильность.

Классы точности, размерные группы и степень автоматизации

ГОСТ 8–82 «Станки металлорежущие. Общие требования к испытаниям на точность» устанавливает пять классов точности: Н, П, В, А и С в порядке возрастания.

Классы В, А и С опираются на виды шлифовальных станков, а также на доводочное и хонинговальное оборудование. Класс выбирают по самому жёсткому допуску в чертеже, а не по среднему.

Ступени автоматизации выстроены в ряд от одиночной машины к производству. Обрабатывающий центр берёт автоматическую смену инструмента и несколько видов обработки, а гибкий производственный модуль добавляет смену заготовок и работает без оператора ощутимое время.

Гибкая производственная система объединяет модули транспортом и общим управлением, а термины этой ступени закреплены в ГОСТ 26228-90.

Автоматизация даёт и выигрыш по безопасности: инструмент меняется без участия человека, а оператор находится вне рабочей зоны. Ограждение с блокировкой двери и обучение персонала это не отменяет, но обычно и то и другое входит в пусконаладку.

Какие ограничения есть у каждого типа станков

Часть ограничений заложена в устройство и не лечится ни настройкой, ни бюджетом.

Электроэрозия не берёт диэлектрики, плазма не режет непроводящий материал. Лазер оставляет на кромке зону термического влияния, гидроабразив даёт конусность реза.

Стоимость владения складывается не из одного станка. К нему добавляются оснастка и инструмент, доставка и таможенное оформление, пусконаладка, обучение и сервис. Пятиосевой центр, как правило, заметно дороже трёхосевого той же рабочей зоны, и разница не в марке, а в числе приводов.

Что оборудование подобрано мимо задачи, видно по трём признакам. Деталь не влезает в рабочую зону вместе с оснасткой, размер уходит за допуск к концу смены, цикл идёт дольше расчётного.

Первое действие здесь не претензия, а проверка геометрической точности по методике ГОСТ 8–82. Станок в допуске означает ошибку подбора, и продажа машины обойдётся дороже доплаты за нужную опцию при заказе. Станок вне допуска даёт гарантийный случай, и устраняет его поставщик.

Поэтому перед разговором с поставщиком имеет смысл пройти пять пунктов.

• Материал и типовая деталь: токопроводящий или нет, габарит, масса.
• Класс точности и протокол, которым его подтверждают на приёмке.
• Габариты рабочей зоны с запасом на оснастку.
• Число осей по установам, которые нужно убрать из техпроцесса.
• Автоматизация: магазин инструмента, подача заготовок, встраивание в линию.

Ответ «этот станок универсальный, подойдёт под всё» стоит считать плохим: ограничение есть у каждого типа, и назвать его обязан продавец.

Мы начинаем подбор с чертежа типовой детали, а не с модели станка. По нему видно, где трёх осей мало, а пяти ещё не нужно, и получить консультацию по подбору оборудования дешевле до подписания спецификации.

Частые вопросы

Чем G-код отличается от STEP-NC?

G-код описывает готовую траекторию: куда и с какой подачей идёт инструмент. STEP-NC передаёт модель детали и технологические данные, а траекторию считает система управления.

Какие группы процессов выделяет стандарт DIN 8580?

Немецкий стандарт DIN 8580 делит производственные процессы на шесть главных групп. Прессы относятся к формоизменению (Umformen), лазерная и гидроабразивная резка к разделению (Trennen), аддитивные машины к первичному формообразованию (Urformen).

Что умеет многозадачный обрабатывающий центр?

Он закрывает деталь за один установ: точит, сверлит, фрезерует и передаёт заготовку на второй шпиндель. Выигрыш тут не в скорости резания, а в отсутствии переустановок и их погрешностей.

Для чего нужна автоматическая смена инструмента?

Магазин подаёт нужный инструмент по команде программы, не прерывая цикл. Ручная переналадка между переходами уходит, а повторяемость партии перестаёт зависеть от оператора.

Какой станок подойдёт для небольшой мастерской?

Обычно берут компактный трёхосевой фрезерный или токарный станок малогабаритной группы, который встаёт без отдельного фундамента. Ограничение здесь по габариту заготовки, а не по точности.

В каких отраслях чаще всего применяют станки с ЧПУ?

Металлообработка, аэрокосмическая отрасль, автомобилестроение, телекоммуникации, медицина с её титановыми имплантами и хирургическим инструментом, деревообработка и мебель, реклама.

Какой класс точности нужен для финишной обработки?

Под финишные переходы обычно берут станки классов В, А и С по ГОСТ 8–82 (шлифовальное, доводочное и хонинговальное оборудование). Для черновых операций хватает классов Н и П.