Прецизионные токарные станки: точность как искусство

В современном машиностроении, где автоматизация и цифровизация становятся нормой, особое место занимают прецизионные токарные станки — оборудование, для которого точность обработки измеряется не миллиметрами, а микронами. В эпоху, когда маркетинговые уловки массово навязывают промышленности необходимость закупать станки с ЧПУ, важно понимать, что существуют задачи, где именно прецизионный станок с ручным управлением становится незаменимым инструментом.

Прежде чем обсуждать особенности прецизионных или, как их ещё принято называть, высокоточных токарных станков, необходимо разобраться с терминологией. Как говорит начальник бренд-­отдела АО «ИПК „Финвал“» (входит в ГК «Финвал») Сергей Липатов, касательно точности универсальных токарных станков следует опираться на определения и нормы, устанавливаемые в ГОСТ 18097‑93 (ИСО 1708–8–89), где прописано, что к прецизионным относятся станки классов П (повышенной), В (высокой), А (особо высокой) точности, каждый из которых регламентирован максимальными отклонениями определённых характеристик.

«Говорить о точности до миллиметра не корректно. Детали обычно филеграннее», — поясняет технический директор ООО «Юнит Станко» Никита Ежов.

В современном машиностроении редко встречаются детали с такими жёсткими требованиями к точности размеров, форм или взаимного расположения, уточняет г-н Липатов. Как правило, речь идёт о нескольких десятых или сотых долях миллиметра, тогда как тысячные доли (микрометры) требуются значительно реже, в особых случаях. Эксперт отмечает, что допуск отклонений зависит от величины самого размера: на мелкой детали сотой доли миллиметра добиться гораздо проще, чем на детали в несколько метров.

При точности в долю микрометра возникает вопрос об обоснованности такого требования или адекватности конструктора, ведь даже при идеальных условиях обработки сам материал имеет физические ограничения обрабатываемости: поверхность металла после резания не может быть абсолютно ровной и гладкой, а любой изъян может вывести обработанную деталь в брак. Такую точность сложно не только исполнить, но и проверить.

«Прецизионные станки — это не самое дорогое оборудование для производственных предприятий. Существуют и активно продаются устройства в сотни миллионов руб­лей. И вообще цена — не единственный фактор окупаемости, гораздо важнее — стоимость заказа, выполнение которого будет этим оборудованием обеспечено.

Парк станков на российских предприятиях сегодня довольно широк и многочисленен, лишь немногие крупные государственные заводы могут браться за сторонние заказы, у них сейчас совершенно другие задачи. Средние частные предприятия могут получать госзаказы, а также средства на закупку соответствующего оборудования. У обеих категорий речь идёт скорее о точности и сроках выполнения, чем о рентабельности или сроках окупаемости», — говорит Сергей Липатов.

Прецизионное оборудование и станки с ЧПУ

Тип системы управления станком — это отдельный вопрос, лишь косвенно связанный с точностью. Как справедливо замечает Сергей Липатов, «система ЧПУ надёжно отрабатывает верно написанную программу, отслеживает перемещение рабочих узлов через датчики обратной связи, может контролировать температуру основных источников тепла и работу вспомогательных систем».

Однако, по его мнению, механическая часть такого станка должна быть выполнена на неплохом технологическом уровне, иначе нет большого смысла производить и предлагать на рынке станок с некачественно отлитой станиной.

«Прецизионные токарные станки, хотя и не так широко распространены, как высокоскоростные, определённо не являются чисто нишевым продуктом. Они занимают важную позицию в производстве, особенно в тех областях, где требуется исключительная точность и чистота обработки», — уточняет Никита Ежов.

Он отмечает, что такие станки востребованы в аэрокосмической, медицинской, электронной и оптической промышленности, где допуски измеряются микронами.

«Прецизионные токарные станки — конечно, нишевый продукт по сравнению со стандартными токарными станками с ЧПУ. Если на производстве они находятся в хорошем состоянии и на них работает опытный специалист‑­токарь, то для этих задач не требуется привлекать станки с ЧПУ, писать и налаживать для разовой обработки отдельную программу, привязывать инструмент и т. д.

Отмечу, что прецизионные станки не используют для черновых и получистовых работ, чтобы лишний раз не изнашивать — для этого годятся и станки класса точности Н или станки с ЧПУ», — объясняет представитель ГК «Финвал».

Распространённость такого типа оборудования на некоторых отечественных предприятиях серийного производства он объясняет историческими причинами: большим парком старого оборудования, оставшимся в наследство от прежних времён, когда станки с ЧПУ были малодоступными, и инертностью технологического развития.

Проблемы отечественного станкостроения

Рынок после 2022 года пережил серьёзные изменения. Сокращение поставок высокоточного оборудования из Европы, Японии и других стран, введших санкции, заставило отечественные предприятия искать альтернативы — переходить на менее точную технику, модернизировать старые станки или наращивать внутреннее производство. В этом контексте, по мнению г-на Липатова, концепция импортозамещения стала ответом на вызовы, но её реализация пока далека от полноценного результата.

«У крупных отечественных предприятий значительно выросли заказы на производство различных деталей и изделий, включая достаточно высокоточные, что потребовало резкого расширения парка станков. Несколько из оставшихся станкостроительных производств получили заказы, значительно увеличили выпуск оборудования, что неизбежно привело к общему снижению качества ради быстрой поставки, а те, кто пытается достойно следить за качеством, выстраивают заказчиков в очередь «получите через 2–3 года».

Другие освоили сборку из импортных комплектующих, благо на рынке имеется множество предложений поставки современных направляющих, ШВП, шпинделей, электромоторов, ЧПУ и прочих систем, которые можно установить на станину, отлитую в России. Только полноценным импортозамещением это нельзя назвать даже с большой натяжкой», — говорит представитель ГК «Финвал».

Что не даёт отечественному станкостроению массово заняться выпуском прецизионных токарных станков? Г-н Липатов кратко формулирует главную проблему: «мешает нерентабельность затеи». По его мнению, массовое производство будет работать в убыток и довольно быстро закроется. Да и почти все потребности с успехом покрывает большая соседняя страна, в которой создание этих (и многих других) станков уже налажено.

По мнению эксперта, сегодня изготавливать станок с ЧПУ в каком‑то смысле даже проще, чем прецизионный с ручным управлением: меньше точных механических передач, деталей и узлов, которые можно заменить работой микроэлектроники. Конечно, и у нас производят часть необходимых компонентов: некоторые виды подшипников, свои системы ЧПУ, — но обстоятельства таковы, что закупка из Китая до сих пор дешевле, проще и качественнее.

Никита Ежов приводит четыре основные группы проблем. Помимо уже упомянутого отсутствия критически важных технологий и компонентов, трудности возникают с недостаточным финансированием и инвестициями в НИОКР. Разработка и освоение производства прецизионного станка — это дорогостоящий и длительный процесс, поясняет эксперт.

Поэтому требуются значительные вложения в разработку конструкторской документации, создание опытных образцов, проведение испытаний и организацию серийного производства. Кроме того, г-н Ежов указывает на отсутствие долгосрочных государственных программ поддержки станкостроения, что также не способствует привлечению частных инвестиций.

Другим вызовом для развития производства высокоточного оборудования является нехватка квалифицированных кадров. Для его разработки, производства и обслуживания требуются высококвалифицированные инженеры-­конструкторы, технологи, программисты, наладчики и операторы. По мнению представителя «Юнит Станко», система образования не всегда успевает за потребностями отрасли, а низкая заработная плата и отсутствие перспектив карьерного роста в станкостроении также не способствуют привлечению молодых специалистов.

Четвёртой проблемой спикер считает недостаточный уровень автоматизации производства, устаревшее оборудование и отсутствие современных систем контроля качества. Вследствие этого снижается точность и надёжность станков.

Особенности эксплуатации прецизионных станков

Современный прецизионный станок представляет собой сложную систему, включающую три ключевые составляющие: измерительную, вычислительную и исполнительную части. Как отмечают эксперты, каждая из этих систем вносит свои погрешности в конечный результат. Геометрические неточности зависят от качества изготовления комплектующих и их сборки, кинематические — от соответствия передаточных чисел в механизмах станка, упругие — от деформаций станка под нагрузкой, температурные — от неравномерного нагрева узлов, а динамические — от относительных колебаний рабочего инструмента и заготовки.

Одним из передовых решений, применяемых в современных прецизионных станках, являются аэростатические направляющие, где суппорт с рабочим инструментом практически «парит» на расстоянии в несколько микрон от поверхности, что значительно снижает трение и повышает точность обработки.

Некоторые модели прецизионных токарных станков способны обрабатывать детали с точностью до 0,0002 мм при частоте вращения шпинделя 15 000 об/мин, что делает их незаменимыми в производстве высокоточных оптических элементов и прецизионных деталей для аэрокосмической отрасли.

«Если говорить о станках класса В, то в их конструкции есть определённые изменения, повышающие точность, жёсткость и виброусточивость оборудования, применяются более точные компоненты и массивная станина. Колебания температуры воздуха помещения не могут превышать двух градусов.

Станки класса А должны работать в изолированном термоконстантном помещении, где поддерживается температура воздуха 20 °C с минимальными колебаниями и оптимальная влажность. Фундамент этого помещения должен быть изолирован и удалён от расположения любых источников вибраций (прессового, штампового оборудования, станков жёсткой обработки и т. п.).

В их конструкции предусмотрены все возможные факторы повышения точности, жёсткости и виброусточивости. И, конечно, прецизионные станки нужно вовремя и качественно обслуживать, своевременно проводить все регламентные работы, а оператор должен иметь достаточный навык по точной токарной обработке», — разъясняет Сергей Липатов.

Перегрев станка, особенно шпинделя, ведёт к его термической деформации и, как следствие, к потере точности, напоминает Никита Ежов и добавляет, что материал также нагревается в процессе обработки. Интенсивность изменения температуры зависит от скорости и глубины резания, подачи, материала заготовки и инструмента, а также от эффективности СОЖ.

По словам г-на Липатова, вопрос «перегрева металла» давно решили внутренними системами охлаждения шпинделя, применением СОЖ в зоне обработки и охлаждением электрошкафа.

А сжатый воздух, иногда подаваемый в токарные станки для работы систем пневматических приводов, автоматически проходит достаточную очистку, осушение от влаги и насыщение маслом в виде аэрозоля.

Особое место в прецизионной обработке занимает алмазное точение — технологический метод, обеспечивающий высокую точность и чистоту поверхности. Как показывают исследования, при алмазном точении используются незначительные глубины резания (0,05–0,2 мм), малые подачи (0,02–0,2 мм/об) и высокие скорости резания (120–1000 м/мин), что позволяет достичь точности размеров класса IT5-IT6 и шероховатости Ra 0,8–0,4 мкм. Этот метод особенно эффективен при обработке цветных металлов, титановых сплавов, оптических стёкол и пластмасс.

В оптической промышленности, где требования к точности особенно высоки, алмазное точение демонстрирует свои преимущества. Для металлических отражателей лазерных резонаторов, например, необходимы такие параметры, как отклонение формы N=2 интерференционных колец (0,55 мкм) и шероховатость поверхности менее 12 нм. Как показывают исследования, алмазное точение обеспечивает шероховатость по параметру Rmax менее 50 нм при подаче менее 9 мкм/об.

При этом отражательная способность поверхностей после алмазного точения в ИК-области спектра практически соответствует поверхностям, обработанным традиционным методом полирования, что делает этот способ перспективным для производства оптических элементов.

Как показывают исследования, посвящённые факторам, влияющим на точность при алмазном точении, основными аспектами, определяющими точность обработки и шероховатость получаемой поверхности, являются тепловые деформации и вибрации. При жёсткости технологической системы более 20 Н/мкм преобладающее влияние на погрешность обработки оказывают радиальный износ и тепловое удлинение резца. Для минимизации влияния вибраций опытные специалисты рекомендуют подводить резец к заготовке через 15–20 секунд после начала вращения шпинделя, когда его положение стабилизируется.

Современные технические решения позволяют частично автоматизировать процесс прецизионной обработки. Разработаны системы автоматического управления продольной подачей токарного станка с ЧПУ по относительным виброперемещениям резца и обрабатываемой детали. Такие системы измеряют вектор вибрации и при превышении допустимого значения уменьшают продольную подачу, что позволяет сохранить необходимый уровень точности.

Подобные разработки особенно актуальны при изготовлении крупногабаритных поверхностей-­отражателей с медной сферической поверхностью диаметром 1000 мм и внеосевых параболоидов из алюминиевого сплава, где даже микроскопические колебания могут привести к значительным отклонениям формы.

Прецизионные токарные станки остаются важным элементом высокоточного производства, несмотря на развитие технологий ЧПУ и аддитивного производства. Как отмечает Сергей Липатов, «обработку деталей “с точностью до миллиметра” и “до микрона” можно сравнивать с тем же успехом, что работу экскаваторщика и ювелира». Эта аналогия прекрасно иллюстрирует специфику прецизионной обработки, где каждая операция требует особого подхода, знаний и опыта.