Фрезерные станки

Оборудование для производства мебели

Фрезерные станки. Часть 2. Групповое соответствие

Деревообрабатывающие станки фрезерной группы предназначены для обработки почти любых заготовок из древесины с целью получения поверхности определенной формы. Вместе с тем каждый фрезерный станок ориентирован на определенную номенклатуру изделий, как то, например, прямолинейный погонаж, фигурные фасады из MDF или мебель с плавными очертаниями.

При фрезеровании формообразование происходит за счет комбинации вращения фрезы и ее движения относительно заготовки, называемого подачей. В зависимости от компоновки фрезерного станка заготовка может скользить по столу вдоль линеек или двигаться вместе с копиром на каретке с коротким прямолинейным ходом; она может быть зафиксированной либо вращаться в центрах. В некоторых моделях станков фреза, помимо вращения, в процессе обработки детали может менять положение в соответствии с командами, подаваемыми управляющим процессором и благодаря собственным направляющим либо за счет механической связи с копиром. Таким образом, с учетом всего многообразия профилей фрез и получаются поверхности самой разной геометрии.

Инструмент

Таблица. Факторы, определяющие состояние поверхности после
фрезерования

Фреза − основной инструмент любого фрезерного станка. Она состоит из нескольких резцов, которые еще называют ножами или лезвиями, и имеет ось вращения. При вращении и подаче такого инструмента резцы двигаются по циклоидной траектории и поочередно срезают слой материала, называемый припуском. В результате такой обработки заготовки деталь получает новую поверхность. Ее форма и качество зависят от множества факторов: профиля ножей, точности их установки, состояния режущей кромки, режимов резания, геометрической точности станка и др. (см. табл.).

Существует множество видов фрез: цилиндрические и концевые, цельнометаллические и с твердосплавными резцами, сборные, затылованные и незатылованные, с прямыми и профильными ножами, разных форм и размеров и т. п.

Окружная скорость резания древесины при фрезеровании − обычно 20−70 м/с. Для фрезы диаметром 100 мм этот диапазон соответствует частоте вращения от 3800 об/мин, для фрезы диаметром 200 мм − от 1900 об/мин, диаметром 30 мм − от 12 000 об/мин. У одного и того же инструмента может быть несколько значений окружной скорости резания в зависимости от формы лезвия − ступенчатой, криволинейной и т. п. С целью соблюдения безопасного режима работы категорически запрещается вращать фрезу с частотой, превышающей максимальный скоростной порог (его значение указывается на инструменте).

Различают два направления вращения фрезы: попутное, совпадающее с направлением подачи, и встречное. Наибольшее распространение получил режим встречного фрезерования как более экономичный, при выполнении которого требуемая мощность для вращения фрезы на 20−40% ниже, чем при попутном. Но в некоторых случаях используют и две фрезы, с встречным и попутным направлениями вращения, с целью предотвращения сколов на завершающем этапе фрезерования заготовки.

Подача при фрезеровании, как правило, выбирается от 5 до 40 м/мин, однако в высокопроизводительных станках этот показатель может превышать и 100 м/мин. Для таких режимов требуется инструмент с высокой стойкостью и особые условия работы.

В зависимости от способа фрезерования и типа обрабатываемого материала выбираются определенные углы резания. Так, для ДСП, например, рекомендуется α = 20−250, δ = 60−650 (при плотности свыше 600 кг/м³ δ = 75−850); для фанеры α = 150, γ = 15−250. Более точные данные содержатся в специализированных справочниках.

На шероховатость получаемой поверхности заготовки влияют кинематические волны, обусловленные кинематикой фрезерования, а также неровности разрушения − заколы, отщепы, вырывы древесины. Для уменьшения длины и глубины волны используют тщательно настроенный многолезвийный инструмент, увеличивают скорость резания относительно подачи. Здесь важно, чтобы все режущие кромки находились на одной окружности с центром на оси вращения фрезы, тогда все резцы будут участвовать в процессе резания и, соответственно, уменьшать размеры кинематической волны. Исключить неровности разрушения удается чаще всего экспериментальным подбором оптимальных режимов фрезерования.

При фрезеровании древесины смазочно-охлаждающие жидкости, как правило, не применяются. Исключением является смазка поверхностей, вдоль которых скользит фрезеруемая заготовка. Такой прием предотвращает загрязнение этих поверхностей, что особенно актуально при обработке натуральной древесины, содержащей смолу.

Для организации вращения фрезы предназначен фрезерный модуль − важнейший компонент, объединяющий станки фрезерной группы всех типов.

Фрезерный модуль

Для примера рассмотрим фрезерный модуль станка с нижним расположением шпинделя (рис. 1). Его основу составляет шпиндель с опорами, на который устанавливается фреза. В целях унификации инструмента посадочные диаметры цилиндрических шпинделей рядовые, например 32 или 50 мм. Для фиксации фрез различной высоты в комплекте с модулем обычно поставляются промежуточные втулки. В первых моделях станков применялись конусы Морзе, современные станки оснащаются модулями со сменным шпинделем, специальными системами «инструмент − шпиндель».

Опоры шпинделя − высокоточные подшипники, от которых во многом зависит радиальное биение инструмента и, как следствие, возникновение кинематической волны (см. табл.). Кроме того, они работают в условиях высокой угловой скорости и радиальной нагрузки, и нередки случаи, когда подшипники перегреваются (нагрев выше температуры окружающей среды больше чем на 50 °С), возникает нефункциональный шум.

Для передачи значительного крутящего момента во фрезерном модуле используется ременная передача на базе клинового или поликлинового ремня. Шкивы располагаются между опорами или консольно, в нижней части шпиндельного вала. В представленной компоновке модуля (рис. 1), для того чтобы сменить ремень, необходимо временно демонтировать шпиндель. С целью облегчения этой процедуры в корпусе для мест под опоры предусмотрена фиксация типа «хомут». В то же время такая компоновка довольно компактна, для нее характерна высокая радиальная жесткость шпинделя благодаря разнесенным опорам.

Большинство фрезерных модулей имеют функцию установочного перемещения шпинделя вдоль собственной оси. Это позволяет устанавливать на шпиндель несколько фрез. Во время обработки, когда возникает необходимость смены инструмента, фреза не переустанавливается, а просто выдвигается в нужное положение вместе со шпинделем из-под плоскости стола. Во фрезерном модуле эта функция реализуется за счет механизма вертикального перемещения, в состав которого входят короткие плоские направляющие и электромеханический привод перемещения с управлением от процессора. Эта схема имеет максимальное быстродействие и высокую точность. Кроме плоских направляющих, в механизме используются круглые направляющие или телескопическая система. Установочное перемещение может выполняться и вручную, с помощью любых средств метрического контроля. Главное, чтобы механизм имел достаточную жесткость и был надежно зафиксирован после установки таким образом, чтобы исключить самопроизвольное смещение шпинделя в любую сторону.

Современные фрезерные модули также снабжены функцией наклона, как правило, в диапазоне от 45° до −5°. Это позволяет использовать, например, цилиндрические фрезы с прямыми ножами для фрезерования кромки заготовки под непрямым углом к пласти. Для этого достаточно наклонить весь фрезерный модуль на нужный угол и зафиксировать его в новом положении. Конструктивно такая функция реализуется благодаря специальным шарнирам на корпусе модуля и в опорах. Ось наклона находится вблизи плоскости стола, что не требует значительного увеличения отверстия в нем для выхода фрезы. При наклоне изменяется вертикальная координата инструмента, ее компенсируют с помощью механизма вертикального перемещения автоматически или вручную.

В качестве привода вращения шпинделя используется электродвигатель со шкивами. В регулируемых электроприводах, где скорость вращения устанавливается с помощью электронного частотного регулятора, имеется одна ременная передача и, соответственно, одна пара шкивов. Такая схема наиболее удобна в управлении и позволяет выбирать частоту вращения шпинделя от 3 тыс. оборотов. Но большинство фрезерных модулей оснащены трехфазными асинхронными электродвигателями переменного тока, и для настройки скорости вращения используется многоступенчатая ременная передача (как показано на рис. 1). Установкой ремня в одно из трех или четырех положений включается соответствующая частота вращения шпинделя. Использование двухскоростного двигателя может удвоить количество положений и, соответственно, частот вращения шпинделя. Для удобства быстрого переключения скоростей натяжение ремня производится с помощью рычажного механизма с рукояткой. Мощность привода одного шпинделя фрезерного модуля, как правило, составляет 3−10 кВт.

Для того чтобы зафиксировать инструмент на шпинделе, необходимо закрутить на нем винт, болт или гайку − в зависимости от конструкции шпинделя. Затяжка такого элемента крепления требует временной блокировки вращения шпинделя. Для этого в конструкции фрезерного модуля предусмотрен фиксатор. Во избежание его активации во время штатного вращения фрезы у фиксатора должна быть собственная электромеханическая блокировка.

Для удобства настройки фрезерного модуля в его конструкцию вводятся электронные системы контроля состояния функциональных компонентов − указатели линейного и углового перемещения шпинделя, температурные датчики, датчики характерного положения и пр. Это позволяет использовать фрезерный модуль как полноценный компонент в системе автоматизированного управления любого уровня.

Фрезерный модуль прикрепляется к нижней части стола или станине станка через опоры.

Компоновка фрезерных станков

Обзор оборудования, предназначенного для фрезерования деталей из древесины, открывает вертикальный фрезерный станок с нижним расположением шпинделя (рис. 2), получивший наибольшее распространение в деревообрабатывающей промышленности благодаря универсальности. Он способен фрезеровать заготовки почти любых габаритов несколькими способами, компактен, имеет довольно высокую производительность, относительно простое и удобное управление. В состав этого станка входят:

1. Фрезерный модуль с вертикальным шпинделем, в котором устанавливается и вращается инструмент. При наличии в модуле функции наклона фрезы название станка «вертикальный» не изменяется, так как оно указывает на базовое положение шпинделя. Ход установочного перемещения шпинделя вдоль собственной оси, а также его нижнее положение относительно рабочей поверхности стола должны соответствовать технологическому регламенту: высоте набора фрез, которые необходимо полностью опускать ниже плоскости стола, а также высоте максимально возможного комплекта.
2. Направляющая металлическая линейка используется для первоначального позиционирования по горизонтали и направления заготовки относительно инструмента. Линейка имеет механизм перемещения, который изменяет расстояние от рабочей поверхности до оси шпинделя (в вертикальном положении). Рабочая поверхность должна быть плоской и гладкой, в любом положении параллельной вертикальной оси шпинделя, чтобы не снижать геометрическую точность станка. Для максимального приближения линейки к фрезе используются специальные выдвижные шторки.
3. Ограждение фрезы закрепляется на столе станка и выполняет две основные задачи: закрывает опасную рабочую зону и участвует в сборе стружки через патрубок, предусмотренный для соединения с цеховой системой аспирации. Во многих моделях ограждение фрезы также играет роль кронштейна для крепления линеек, а также поддерживающего быстросъемного центра − дополнительной опоры для верхней части шпинделя. Ограждение фрезы − важнейший элемент системы безопасности станка. На рис. 2 его изображение условно. Это сложный, механизм с несколькими уровнями защиты для всех режимов фрезерования, его отказ его во время работы станка недопустим! Ограждение должно полностью закрывать инструмент при любом положении заготовки и в тоже время не препятствовать процессу фрезерования.
4. Приемная линейка − условное наименование второй направляющей линейки для заготовки по ходу ее подачи. К приемной линейке предъявляются те же требования, что и к первой. В случае соответствия этим требованиям обе линейки должны быть параллельны друг другу и перпендикулярны столу.
5. Стол предназначен для позиционирования по вертикали и направления заготовки во время фрезерования. Это сварная или литая деталь фрезерного станка с износостойким и антикоррозионным покрытием плоской рабочей поверхности. В столе имеется отверстие для фрезы, под которым расположен фрезерный модуль. Размер этого отверстия предопределяет максимальный диаметр фрезы, который можно использовать. В случае установки инструмента меньшего диаметра отверстие закрывается несколькими кольцами или автоматизированными шторками. Для обработки крупногабаритных заготовок используются дополнительные столы-удлинители, которые крепятся к основному столу. В этом случае также можно использовать поддерживающие устройства с роликами, расположенными в одной плоскости со столом на некотором расстоянии от него (в пределах габарита заготовки).
6. Станина является несущей конструкцией всего фрезерного станка, изготавливается сварной или литой. На нее устанавливается стол, а в некоторых моделях и фрезерный модуль. Некоторые модели оснащаются комбинированной станиной, утяжеленной бетоном с целью противодействия вибрации. Но, как показывает опыт, более действенной является методика, при которой источники вредных колебаний исключаются благодаря тщательной балансировке всех вращающихся частей станка. В конструкции станины должны быть закрываемые проемы для удобного доступа к функциональным частям станка во время их наладки или ремонта.
7. Централизованная система управления (ЦСУ) встречается в современных фрезерных станках. Она решает задачи по управлению большинством функциональных компонентов станка в период его наладки и работы благодаря наличию программируемого процессора, автоматизированных приводов и систем обратной связи. Фрезерные станки с ЦСУ независимо от типа имеют высокую производительность за счет сокращения времени на наладку и контроль в ручном режиме, безупречную точность и большой рабочий ресурс за счет предупреждения разного рода технических отказов. Широкое внедрение ЦСУ стало тенденцией в деле совершенствования и модернизации деревообрабатывающего оборудования.

Один из приемов работы на вертикальном станке с нижним расположением шпинделя − это фрезерование с направляющей линейкой (рис. 3). Так профилируются погонаж, мебельные заготовки из натуральной древесины и щитовые детали по кромке. Заготовка устанавливается на стол станка и подводится к предварительно настроенной линейке. Затем заготовка подается в зону фрезерования. В зависимости от формы ножей фрезы после обработки получается новая поверхность определенной формы (в приведенном примере − радиусная кромка). Линейки выставляются так, чтобы с заготовки удалялся оптимальный припуск и деталь после обработки прилегала к ним без зазора.

Для повышения производительности и исключения ручного труда применяются автоподатчики (рис. 4). Такой автоподатчик, оснащенный индивидуальным электроприводом движения, несколькими приводными роликами, покрытыми резиной или другим антифрикционным материалом, устанавливается на станок с помощью стойки. При правильном расположении автоподатчик подает заготовку по столу вдоль направляющей линейки со скоростью 10−20 м/мин в зависимости от модели.

Другой способ фрезерования − с использованием шипорезной каретки (рис. 5). Деталь закрепляется на каретке с помощью рычажного прижима или пневмоприжима, для того чтобы совершить короткую прямолинейную подачу к инструменту. Такая необходимость возникает при фрезеровании торцов любых деталей − выборки в них пазов, шипов, микрошипов и т. п. Шипорезная каретка может входить в базовую комплектацию оборудования, быть опцией либо частью специализированного шипорезного фрезерного станка. Принцип ее работы от этого не меняется: каретка движется по круглым или плоским направляющим длиной около 1 м. Ее размеры предопределяют максимальную ширину и длину заготовки. Для фрезерования торца под углом в плане на каретке устанавливается поворотная линейка с упором для фрезерования заготовки в размер. У этой линейки есть наконечник из мягкого материала (древесины), противодействующий сколу древесины заготовки, когда последняя выходит из зоны резания. Главное требование к конструкции каретки − обеспечение строго прямолинейного движения во время подачи; зазоры в ее опорах недопустимы, ход должен быть плавным и незатрудненным, а рабочая поверхность − перпендикулярна оси вертикального шпинделя.

Существуют различные конструкции кареток: одни каретки располагаются на одном уровне со столом − и тогда каретка в среднем положении фиксируется и является продолжением стола; другие каретки располагаются выше стола − в этом случае стол по отношению к заготовке утрачивает базовое значение. Во всех случаях при фрезеровании с шипорезной кареткой направляющие линейки не используются. Механизация подачи каретки чаще всего встречается только в специализированных станках.

В следующих публикациях мы рассмотрим другие виды фрезерных деревообрабатывающих станков, а также метод фрезерования криволинейных деталей по копиру или упорному кольцу.

Андрей МОРОЗОВ,
компания «МедиаТехнологии»,
по заказу журнала «ЛесПромИнформ»