Копировально-фрезерные станки

Одно из значений понятия «копировать» - создавать копию чего-либо или воспроизводить, повторять что-либо. Поэтому копировально-фрезерные станки по определению предназначены для создания на заготовке неплоской поверхности, форма которой должна в наибольшей степени соответствовать заданному исходному образцу.

Неплоская поверхность может фрезероваться на одной или двух кромках плоских и изогнутых брусковых заготовок, по периметру щитовых деталей и внутри их поля в виде вырезанного проема или рельефа на пласти. Особое место занимает изготовление скульптурных объемных деталей.

Множество конструкций копировально-фрезерных станков

Сегодня производителями станков разработано множество типов копировально­фрезерных станков, которые различаются технологической схемой и степенью механизации процесса фрезерования и в которых управление взаимным перемещением заготовки и обрабатывающего инструмента может выполняться разными способами. Существуют станки с перемещением заготовки относительно неподвижного вращающегося инструмента, с перемещением инструмента относительно неподвижной заготовки и станки, в которых перемещаются и заготовка, и инструмент. Управление перемещениями может осуществляться механическим способом, посредством копира или с использованием электронных систем ЧПУ.

К основным видам станков, используемых на предприятиях, относятся: фрезерные вертикальные с нижним расположением шпинделя; фрезерные вертикальные с верхним расположением шпинделя; фрезерные с верхним расположением шпинделя и подвижным столом; фрезерные двухсторонние с подвижной кареткой; фрезерные с карусельным столом; фрезерные вертикальные с неподвижным столом и подвижными верхними шпинделями; обрабатывающие центры; объемно­копировальные станки.

На большинстве из этих станков за один проход можно обрабатывать только продольный профиль по кромке плоских заготовок, а на некоторых типах такого оборудования можно выполнять двухстороннюю обработку по кромкам. Конструкция отдельных фрезерно­копировальных станков позволяет за один установ выполнять еще и шлифование обработанного продольного профиля.

Станки фрезерные вертикальные с нижним расположением шпинделя

В конструкцию станков этого типа входят: станина (литая, сварная или комбинированная), стол, вертикальный шпиндель, проходящий через вырез в середине рабочего стола, привод вращения шпинделя и направляющая линейка (рис. 1). Некоторые станки снабжаются кареткой с установленной на ней линейкой, которая расположена перпендикулярно направлению движения. На шпинделе могут одновременно находиться несколько фрез с разным профилем лезвий, устанавливаемых в рабочее положение за счет перемещения шпинделя по высоте.

Для обработки по копиру заготовка крепится винтовыми или эксцентриковыми зажимами, а в нижней части шпинделя, под фрезой, устанавливается свободно вращающееся кольцо с шарикоподшипником, служащее упором для копира при фрезеровании. В процессе обработки копир с заготовкой боковой кромкой постоянно опирается на это кольцо и с помощью ручного управления проводится мимо фрезы, формирующей на поверхности заготовки заданный профиль. Для механизации подачи под копировальным кольцом устанавливается цепная звездочка с отдельным приводом вращения, а под копиром, строго параллельно ему, крепится пластинчато­роликовая цепь, входящая в зацепление со звездочкой. При вращении звездочки копир с заготовкой перемещается вдоль фрезы, сохраняя постоянный контакт с упорным кольцом.

Первые станки подобного типа были разработаны еще в середине XIX века. Использование их в качестве копировальных сопряжено с необходимостью изготовления довольно дорогих копиров­шаблонов (цулаг) для каждого отдельного профиля, что оправдано только при серийном производстве. При обработке деталей требуются большие затраты ручного труда, а освобождение готовой детали и установка новой заготовки занимают довольно много времени. Если такой станок приобретается для работы с копиром, то у него должен быть максимально большой рабочий стол, а для обработки большеформатных деталей станок должен снабжаться дополнительными столами.

Рис. 1. Вертикальный станок с нижним расположением шпинделя

Станки фрезерные вертикальные с верхним расположением шпинделя

Станки этого типа появились на рубеже XIX и XX веков как развитие (следующее поколение) вертикальных сверлильных. В их конструкцию входят: станина коробчатой формы со столом и закрепленным в задней части станины хоботом, который выдвигается вперед, на направляющих хобота установлен шпиндель (рис. 2). Шпиндель приводится во вращение клиноременной передачей, или инструмент устанавливается непосредственно на валу электродвигателя. Рабочий стол станка может оснащаться направляющей линейкой. В вырезе стола соосно с инструментом устанавливается обрезиненный приводной ролик, а в другом - продолговатом вырезе - неприводной, который при помощи педали постоянно прижимается к нему.

Копир с закрепленной на нем заготовкой помещается на стол станка таким образом, чтобы проходящая по его краю тонкая отбортовка располагалась между этими роликами. За счет сцепления подающего ролика с краем копира начинается движение подачи. Рабочий, нажимая педаль управления, по направляющим опускает шпиндель вниз, и установленный в нем инструмент в процессе движения заготовки вместе с копиром выполняет ее обработку.

Преимущество таких станков по сравнению со станками с нижним расположением шпинделя - в возможности фрезерования и по боковой кромке заготовки, и по ее пласти. Однако у подобного принципа фрезерования есть недостатки - необходимость изготовления копиров на каждую форму детали, трудность загрузки и выгрузки заготовок и весьма невысокая производительность станка.

Поэтому за последнее десятилетие количество представленных на рынке моделей подобного оборудования сократилось более чем втрое.

Рис. 2 Вертикальный станок Griggio 60I с верхним расположением шпинделя

Станки фрезерные с верхним расположением шпинделя и подвижным столом

Эти станки появились в самом конце 1970­х годов как развитие фрезерных вертикальных станков с верхним расположением шпинделя. Их отличие от предыдущего поколения станков - в использовании стола для закрепления заготовок, который перемещается в двух направлениях (по координатам X и Y) в соответствии с командами ЧПУ. Такая конструкция позволила полностью отказаться от использования цулаг. Заготовки крепились на столе эксцентриковыми зажимами. Подобные станки некоторых моделей иногда оснащались несколькими шпинделями, расположенными звездообразно. Ввиду, довольно невысокой стоимости этого оборудования сегодня его использование особенно эффективно для обработки щитовых дверных полотен - выборки в них проемов и фрезерования по пласти калевки, имитирующей рамочно­филенчатую конструкцию.

Развитие конструкции станков этого типа привело к созданию оснащенных трехкоординатной системой ЧПУ многошпиндельных станков,
в которых над подвижным столом расположено до шести шпинделей. Пример такого оборудования - отечественный многоцелевой деревообрабатывающий станок с ЧПУ мод. ИРД6 Ф4, разработанный в конце 1980­х годов.

Оснащение подобных станков устройствами для автоматической замены инструмента на шпинделях и рядом дополнительных суппортов привело к созданию обрабатывающих центров.

Станки фрезерные двухсторонние с подвижной кареткой

У станков такого типа протяженная станина, по направляющим которой возвратно­поступательно перемещается каретка с установленными на ней копирами и устройствами для закрепления заготовок. Справа и слева от каретки на поперечных направляющих находятся фрезерные и шлифовальные агрегаты со шпинделями, оснащенными свободно вращающимися копирными кольцами, которые входят в контакт с боковой поверхностью копиров.

Во время работы станка заготовка закрепляется на каретке, при движении которой размещенные на ней копиры воздействуют на копирные кольца шпинделей и как бы раздвигают обрабатывающие агрегаты, которые своими фрезами повторяют на заготовке форму копиров. В конце хода каретка останавливается, обрабатывающие агрегаты раздвигаются, каретка на повышенной скорости возвращается в исходное положение, где с нее снимают обработанную деталь и укладывают новую заготовку. Затем цикл повторяется.

С каждой стороны станка может быть установлено большое количество фрезерных и шлифовальных агрегатов, которое зависит только от длины направляющих каретки. При этом копиры могут размещаться один над другим так, что каждый из них будет управлять только одним агрегатом, который обрабатывает свою зону по длине заготовки с определенным профилем поперечного сечения, например, плоским, полукруглым или наклоненным. Компании - производители таких станков разработали модели, не требующие изготовления копиров, в которых необходимый продольный профиль детали получается за счет регулирования системой ЧПУ скоростей совместного перемещения обрабатывающих агрегатов и каретки с заготовкой. Такие станки предназначены для обработки брусковых деталей и широко применяются в производстве стульев и кресел.

Копировально-фрезерный станок HIGH POINT R-600 тяжелой серии с верхним
расположением шпинделя с наклоняемым столом от 0° до 35°

Станки фрезерные с карусельным столом

Конструкция подобных станков включает станину в виде тумбы, наверху которой имеется приводной вращающийся стол в виде планшайбы с установленными по периметру копирами, базирующими и зажимными устройствами для заготовок.

Фрезерные и шлифовальные агрегаты располагаются на поворотных рычагах с вертикальной осью вращения, которые в зависимости от конструкции станка крепятся к станине или устанавливаются на балке, находящейся над столом.

Все шпиндели также постоянно контактируют с копирами посредством свободно вращающегося копирного кольца.

В ходе работы станка заготовки во время вращения стола вручную укладываются на копиры и обрабатываются. После полного оборота стола обработанная заготовка может быть снята или переложена на другую позицию, с копиром другой формы, например, для обработки ее второй стороны.

Из­за ограниченного диаметра стола эти станки предназначены для обработки заготовок длиной не более метра. Такое оборудование отличается высокой производительностью и используется преимущественно в производстве деталей стульев и кресел.

Станки фрезерные вертикальные с неподвижным столом и подвижными верхними шпинделями

У таких станков (рис. 3) сварная станина, всю верхнюю часть которой занимает стол с отверстиями, соединенными с вакуумной системой закрепления заготовок. По бокам стола расположены направляющие с установленным на них порталом, по балке которого перемещаются вертикальные фрезерные суппорты. Все их продольные и поперечные перемещения вдоль пространственных координат X и Y управляются системой ЧПУ станка. В зависимости от его конструкции эта система может одновременно управлять и вертикальным перемещением одного или нескольких суппортов, то есть действовать в трех координатах - X, Y и Z.

Станки предназначены для выполнения на пластях щитовых заготовок рельефов и художественной резьбы с последующей доработкой вручную. Это оборудование может использоваться также для фрезерования профиля кромок и выборки калевки, имитирующей рамочно­филенчатую конструкцию дверей мебели, на заготовках из MDF, предназначенных для облицовывания термопластичными пленками
в мембранных и вакуумных прессах.

Недорогие станки этого типа не оснащаются магазинами для смены инструмента. Обработка заготовок выполняется поочередно, суппортами, заранее оснащенными фрезами разного профиля.

Рис. 3. Фрезерный вертикальный станок с неподвижным столом и подвижными верхними шпинделями

Обрабатывающие центры

Рис. 4. Обрабатывающий центр для обработки
брусковых деталей с механическими захватами на столе

Под обрабатывающим центром понимается станок, в котором автоматически, по инструкциям заранее разработанной управляющей программы, за один установ заготовки без какой­либо промежуточной переналадки с целью достижения максимальной готовности детали осуществляются различные технологические операции по ее обработке. Например, пиление, плоское и продольное фрезерование по контуру, фрезерование шипов, пазов и отверстий сложной формы, сверление сквозных и глухих отверстий по пласти и кромке, шлифование, облицовывание кромок с полной последующей обработкой. Для этого на суппорте или портале обрабатывающего центра монтируются рабочие головки с инструментом различного назначения. Кроме того, станок оснащается инструментальным магазином, из которого происходит автоматическая смена дереворежущего инструмента - в зависимости от вида работ.

Для обработки щитовых заготовок множество зарубежных компаний производят обрабатывающие центры с горизонтальным, вертикальным или поворотными столами, оснащенные суппортами, которые обеспечивают почти все виды обработки. Конструкция таких центров хорошо известна (рис. 4). За последние пятнадцать лет они были модернизированы для обработки брусковых деталей: изменена конструкция захватов заготовок на рабочем столе, усовершенствованы система ЧПУ и конструкция основного фрезерного суппорта, что позволило осуществлять на них обработку брусковых и объемных деталей с перемещением обрабатывающего инструмента одновременно в пяти пространственных координатах из шести возможных.

Отдельное место занимают обрабатывающие центры, специально предназначенные для обработки брусковых деталей сложной формы (обычно для стульев и кресел), включая формирование в них шипов, пазов, отверстий и т. д. Такое оборудование выпускается только тремя итальянскими фирмами: P. Bacci, R. Balestrini и Pade. Каждая из этих компаний производит широкую номенклатуру таких специальных обрабатывающих центров, в рамках которой отдельные станки, по конструкции внешне весьма схожие с подобным оборудованием, запатентованы (рис. 5).

Рис. 5. Bacci, мод. Twin – обрабатывающий центр для обработки деталей стульев и кресел

Станки объемно-копировальные

Несмотря на широкое распространение копировальных станков с системой ЧПУ, продолжается выпуск оборудования с механическими копирами, правда, немногими фирмами.

Так, итальянская компания Bacci продолжает производство объемно­копировальных станков мод. T4M­O и мод. T4M­O 250, предназначенных для фрезерования и шлифования деталей сложной объемной формы типа ножек «кабриоль». Основа их конструкции была разработана еще в 1960­х годах и предназначалась тогда преимущественно для производства деревянных обувных колодок. Согласно принципу работы таких станков, массивный металлический копир вращается синхронно со шпинделями, в которых закреплены заготовки. Постоянно обкатывающий его копирующий ролик заставляет отклоняться шпиндели с фрезами или шлифовальными инструментами, что обеспечивает точное повторение формы этого копира на заготовках. Часть шпинделей станка могут вращаться в другую сторону, что позволяет одновременно получать «правые» и «левые» детали.

По такому же принципу работают и станки итальянской компании Andreoni, основное отличие конструкции которых состоит в том, что шпиндели расположены не вертикально один над другим, а горизонтально. Обработка выполняется концевыми фрезами, установленными непосредственно на валах электродвигателей, которые закреплены на качающейся раме, перемещаемой вручную в трех координатах. Копирование осуществляется за счет постоянного касания копира щупом, установленным в середине рамы. Обработка концевым инструментом позволяет с помощью таких станков выполнять объемную резьбу на деталях и изготавливать скульптурные элементы мебели.

Существуют и фрезерно­копироваль­ные станки других конструкций. Однако в последние десятилетия в связи с широким распространением оборудования с ЧПУ и совершенствованием его программного обеспечения производство станков с механическим копированием заметно сократилось.

Несмотря на высокую номинальную стоимость копировального оборудования с ЧПУ его достоинства несомненны: оно обеспечивает высокую точность обработки, уменьшение трудозатрат, снижение себестоимости изготовления деталей непрямоугольной формы, большую гибкость производства и сокращение сроков выполнения единичных заказов.

Константин ПЕТРОВ,
компания «МедиаТехнологии»,
по заказу журнала «ЛесПромИнформ»