Инновации в производстве фрезерных станков

В большинстве случаев современные станки средней и тяжелой групп имеют литые стальные или чугунные станины коробчатого сечения высокой жесткости и виброустойчивости. Для исключения последующего коробления станины проходят искусственное старение. Конструкция станин позволяет устанавливать оборудование в цехе без фундамента – либо на виброопоры, либо на специальные подпятники с установочными болтами. Более легкие станки имеют сварную станину. Некоторые фирмы в своих станках используют сварные станины с бетонным заполнением пустот, что позволяет повысить динамические характеристики станка в целом. В станине выполняются пыле- и влагозащищенные ниши под монтаж электрического и пневматического оборудования. В верхней плоскости станины выполняются базовые платики для крепления стола. Механизмами резания фрезерных станков являются шпиндельные узлы, служащие для крепления режущего инструмента и приводимые во вращение от электродвигателя чаще всего через ременную передачу.

Тенденцией последнего времени является использование в качестве механизмов резания дереворежущих фрезерных станков электрошпинделей – специальных электродвигателей, включаемых в цепи питания повышенной частоты от электронных частотных преобразователей и имеющих увеличенные значения крутящих моментов на выходном валу. Малые по сравнению с асинхронными двигателями масса и габариты, отсутствие ременных передач позволяют обеспечить компактность фрезерных суппортов на базе электрошпинделя, упростить размерную настройку, повысить точность обработки, снизить уровень вибраций и шума.

Режущий инструмент устанавливается в коническую расточку выходного вала электрошпинделя с помощью оправки, имеющей посадочную часть в виде усеченного конического хвостовика – патрона типа HSK, ответного коническому отверстию шпинделя, либо фрезы Power Lock, имеющей аналогичный хвостовик. Чтобы исключить попадание стружки шпинделя при замене инструмента, предусматривается система обдува посадочных поверхностей шпинделя сжатым воздухом. Для выполнения ряда специфических видов обработки шпиндель выполняется наклонным.

Поскольку масса стальной ножевой головки, особенно у тяжелых станков, и частота ее вращения значительны, шпиндель для снижения динамических нагрузок на подшипники оснащается дополнительной опорой. Для этого на конце консольной части шпинделя (или инструментальной оправки) выполняется еще одна посадочная шейка меньшего диаметра. Она вставляется во втулку третьей, дополнительной подшипниковой опоры (контропоры), установленной на станине станка или корпусе шпиндельного суппорта. Такая конструкция позволяет значительно снизить уровень вибрации режущего инструмента, что увеличивает качество обработки и надежность станка. При работе на стабильных режимах консоль дополнительной опоры отводится в сторону.

Основными базирующими элементами универсального фрезерного станка являются стол и направляющие линейки – передняя и задняя, установленные на массивном, чаще всего литом, ограждении режущего инструмента. Линейки располагаются строго перпендикулярно к поверхности стола и ориентируют движение заготовки в процессе обработки относительно режущего инструмента.

Стол чаще всего представляет чугунную отливку с плоской рабочей поверхностью и ребрами жесткости по нижней стороне. Однако в последнее время некоторые компании, например SCM, конструкцию стола станка делают секционной. С рабочей стороны такого станка напротив шпинделя в столе выполняется паз, по направляющим «ласточкин хвост» которого может перемещаться в плоскости стола в направлении, перпендикулярном подаче, металлическая секция. Такая конструкция стола целесообразна для станков с регулировкой наклона шпинделя, что обеспечивает надежную опору по базовой поверхности стола даже узкой заготовке при ее подаче в зону резания, кроме того, заготовка не упирается в боковые поверхности отверстия в столе станка. Одновременно исключается возможность разрушения режущего инструмента вследствие контакта лезвия с металлическими частями секции.

Для удобства работы с протяженными заготовками на станке используются удлинители стола, представляющие собой дополнительные плоскости, закрепляемые на специальных платиках стола по его обеим сторонам. В некоторых конструкциях станков с шипорезной кареткой роль удлинителей выполняет шипорезная каретка, оснащенная системой быстрой переналадки в эту позицию по шариковым линейным направляющим.

В станках с шипорезной кареткой последняя может устанавливаться не спереди, как у российского станка ФСШ, а с левой боковой стороны станины. Это позволяет создать более комфортные условия работы при фрезеровании по направляющим линейкам, так как оператору не нужно тянуться вперед, напрягая руки. Каретка выполняется из анодированного алюминия на закаленных стальных направляющих повышенной точности, запрессованных в тело каретки, либо шариковых направляющих. На столе каретки может быть установлена поворотная направляющая с угловой шкалой, телескопическим удлинением и несколькими откидными упорами, позволяющая обрабатывать кромки деталей под заданным углом. Зачастую каретка снабжается телескопической опорой для обеспечения обработки габаритных щитовых деталей при снижении нагрузки на направляющие. Для зарезки малых шипов существуют небольшие каретки, устанавливаемые на неподвижном столе станка, также оснащенные поворотной линейкой.

Для снижения трения при движении заготовки по поверхности стола и снижения расхода мощности на подачу заготовок при резании на столы станков наносятся антифрикционные покрытия на основе тефлона, фторопласта или их аналогов. Поверхности стола при его окончательной обработке фрезерованием или строганием может придаваться волнообразная форма, по гребешкам которой осуществляется подача заготовок. При этом обеспечивается прямолинейность перемещения заготовки по гребешкам, как по направляющим, за счет чего снижается площадь поверхности трения.

Также трение заготовок по столу снижается за счет подачи на его рабочую поверхность специальной смазывающей жидкости, не впитывающейся в древесину – например, ваксилита, которая позволяет избавиться от смолы на поверхностях столов и защищает их от ржавления. Подача жидкости осуществляется оператором рукояткой ручного насоса или педалью либо автоматически лубрикатором через заданные с пульта управления промежутки времени. К числу эффективных новаций относится и применяемая на последних моделях фрезерных станков централизованная автоматизированная перестановка направляющих линеек на ограждении перед инструментом. Она происходит в считаные секунды с точной ориентацией по одной оси. Помимо того что работа оператора становится удобнее и безопаснее, такая система позволяет экономить время и обеспечить точность подведения режущего инструмента к заготовке, а это, в свою очередь, повышает качество обработки деталей и производительность станка.

При ручной настройке снимаемого припуска на станке используются цифровые механические счетчики-индикаторы, позволяющие осуществлять настройку линеек с точностью до 0,1 мм. Применяется настройка и с помощью маховиков с цифровым индикатором, причем маховик передает усилие через редуктор, что наряду с высокой точностью перемещений снижает усилие на маховике, обеспечивая его легкое и плавное вращение. На большинстве фрезерных станков используется ручная подача заготовок, в качестве опции для механической подачи заготовок применяются вальцовые автоподатчики. Подача заготовки осуществляется за счет создания тягового усилия прижатых к заготовке вращающихся подающих вальцов собственно весом самого автоподатчика или через пружины сжатия.

Для повышения качества обработки заготовка должна надежно прижиматься на входе в станок к двум базам – столу и направляющей линейке. Для этого автоподатчик разворачивается вокруг своей вертикальной оси на кронштейне в плоскости стола на угол 5–7°. При этом усилие подачи будет развивать и усилие прижима заготовки к направляющим линейкам. Появились автоподатчики и с разворотом вокруг направления подачи. Такой автоподатчик может быть развернут подающими вальцами как в сторону стола, так и к направляющим линейкам. Привод подающих вальцов у большинства автоподатчиков осуществляется от электродвигателя через оправдавшую себя систему червячных редукторов, что обеспечивает стабильную подачу заготовок. Скорость подачи регулируется, как правило, плавно либо вариатором, либо, что более перспективно, электронным способом. Для большинства случаев стандартный диапазон плавно регулируемых скоростей подачи составляет 5–24 м/мин.

При обработке деталей малой длины (1 м и менее) целесообразно на переднем столе станка перед автоподатчиком установить загрузчик заготовок толкающего или конвейерного типа, периодически загружаемый оператором вручную. Это позволяет не только увеличить производительность станка на 25%, но и исключить образование выхватов на торцах детали при выходе из зоны резания, позволяя подавать детали торец в торец и снизить процент бракованных деталей.

Качество обработки деталей на фрезерных станках напрямую зависит как от конструкции, так и состояния используемого дереворежущего инструмента. Точность вращения инструмента при обработке определяет в большой степени способ его крепления на шпинделе – насадные фрезы, устанавливаемые на цилиндрическую посадочную поверхность шпинделя или его инструментальную оправку, и специальные концевые типа Power Lock или типа HSK, устанавливаемые в коническую расточку на торце шпинделя.

Для снижения радиального биения и, как следствие, динамических нагрузок используются различные конструктивные и технологические способы крепления инструмента на шпинделе станка. Для равномерной по диаметру выборки зазора между посадочной шейкой шпинделя и посадочным отверстием фрезы используется способ гидрозажима инструмента, когда внутри фрезы концентрично посадочному отверстию выполняются полости с тонкой стенкой, заполняемые жировой смазкой. С помощью гидрошприца давление в полостях поднимается до 300 атмосфер, при этом тонкие стенки полости равномерно деформируются, прочно охватывая посадочную шейку шпинделя без зазоров и точно центрируя фрезу на шпинделе.

Последнее время широко используется специальный фрезерный инструмент «постоянного диаметра». На шпиндельную оправку насаживается ряд фрез, у которых профилирование выполнено таким образом, что наиболее глубокая точка профиля каждой из фрез соответствует заранее заданному значению, постоянному для всего набора инструмента. В таком случае настройку направляющей линейки производят лишь один раз по любой из фрез. При этом в процессе настройки отсутствуют пробные детали и настроечные проходы заготовок. Раньше при настройке старых российских станков существовал ряд неудобств – сначала надо было застопорить шпиндель от проворачивания, а затем гаечным ключом затянуть гайку крепления инструмента, потом снова расфиксировать шпиндель. Более удобен специальный двухрычажный ключ, с помощью которого без фиксации шпинделя на нем крепится режущий инструмент, в том числе и с обкатывающей шестеренкой. Опционально существуют конструкции специальной гидравлической гайки, аналогичной по принципу гидрозажиму фрез. Она позволяет вручную при незначительных усилиях на ключе обеспечить равномерную осевую затяжку инструмента на шпинделе за счет встроенного в такую гайку малогабаритного гидроцилиндра. Аналогичная система служит и для смены шпиндельной оправки с предустановками под комплект пневмозажима инструмента.

Сегодня фрезерные станки имеют начальные элементы роботизации – системы автоматической установки и смены инструмента с применением инструментальных магазинов. Режущий инструмент может иметь встроенный чип, несущий всю информацию о параметрах режущего инструмента – размерах, профиле, наработке, последнем времени заточки и т.д. Снятая с помощью специального щупа-приемника, информация передается в систему ЧПУ станка, позволяя оператору в автоматическом режиме производить программным путем размерную настройку элементов станка под конкретную деталь. Это позволяет сократить объем вводимых оператором данных, исключить субъективные ошибки, а также уменьшить время настройки станка.

При выборе оборудования, помимо его технических и эстетических характеристик, необходимо изучить экологические, эргономические и патентно-правовые показатели, а также показатели стандартизации, безопасности и трудоемкости обслуживания. Фрезерные станки являются оборудованием повышенной опасности, поэтому обеспечению безопасности их конструкций разработчиками уделяется повышенное внимание. Показатели безопасности станков прописаны в ГОСТ 12.2.026.0-93 «Оборудование деревообрабатывающее. Требования безопасности к конструкции». К ним относятся: наличие и время срабатывания тормозных, защитных устройств и блокировок, содержание древесной пыли, выбрасываемой в воздух рабочей зоны, освещенность рабочей зоны. Помимо этого, фрезерные станки обязаны иметь со стороны подачи встроенные противовыбрасовые устройства для торможения заготовки в случае ее выброса при отдаче из зоны резания. Элементы такого устройства (когтевой завесы) должны обеспечивать надежный захват заготовки и самостоятельно возвращаться в исходное положение после ее прохождения. Нерабочая часть режущего инструмента закрывается выдвижным ограждением в соответствии с шириной обрабатываемых заготовок. Направляющие линейки станка, обращенные в сторону режущего инструмента, имеют деревянные накладки, исключающие контакт резцов инструмента с металлическими частями линеек. Расстояние между кромкой накладки задней направляющей линейки и траекторией, описываемой лезвиями ножей, не должно превышать 3 мм.

Выполнение конструкции стола станка секционной с текстолитовым вкладышем позволяет производить безопасные регулировки, в том числе и по наклону шпинделя, при установленном на нем режущем инструменте, обеспечивая минимальный зазор между лезвием фрезы и вкладышем. При этом исключается возможность разрушения режущего инструмента вследствие контакта лезвия с металлическими частями ограждения, а также затягивания в зазор тонких обрабатываемых деталей, что может привести к травмированию оператора. Практически все выпускаемые сегодня фрезерные станки оснащаются защитными кожухами с прозрачным ограждением из ударопрочного пластика для обзора рабочих органов станков в процессе резания. При открывании кожуха автоматически останавливаются механизмы резания и подачи за счет срабатывания встроенных тормозов электродвигателей, останавливая за несколько секунд (8–10 с) шпиндель с режущим инструментом и автоподатчик заготовок.

Также существенными факторами безопасности при эксплуатации станка являются обеспечение допустимых уровней звукового давления и вибраций на рабочем месте оператора, превышение которых в течение продолжительного времени даже при использовании элементарных средств индивидуальной защиты приводит к потере слуха и болезням нервной системы.

Хотя в паспорте на большинство станков и указан коэффициент эффективности удаления отходов обработки не ниже 0,98, однако на практике это не всегда соответствует действительности. Наличие в воздухе рабочей зоны древесных частиц и пыли древесины твердолиственных пород, особенно тропических, является канцерогенным. Это может возникнуть из-за неправильного выбора формы воронки эксгаустерного устройства, а также из-за неверно принятых параметров по скорости и расходу воздуха. В некоторых станках фирмы Felder ограждение инструмента, служащее одновременно и элементом эксгаустерного устройства, выполнено с двумя воронками под шланги для отвода стружки из его разных внутренних зон. Это позволяет снизить завихрения воздуха внутри ограждения и повысить эффективность удаления стружки, особенно мелких фракций.

Показатели стандартизации и унификации характеризуют насыщенность оборудования стандартными и оригинальными частями, а также уровень унификации с другими машинами и режущего инструмента для различных типов станков. К таким показателям относят: коэффициент применяемости; коэффициент повторяемости; коэффициент взаимной унификации. Патентно-правовые показатели – это наличие авторских свидетельств и патентов на технические решения, реализованные в оборудовании. Это позволяет беспрепятственно реализовывать оборудование как в Российской Федерации, так и за рубежом. Показатели экономного использования материалов и электроэнергии определяют эффективность технологии по расходу материалов при производстве оборудования и по расходу электроэнергии при его эксплуатации. Основные показатели – это удельная масса (масса машины, отнесенная к ее производительности) и удельный расход электроэнергии (расход энергии машиной, отнесенный к ее производительности). Например, в станках последних моделей часто используется режим «эконом», когда механизмы автоматически переключаются в режим «сна» при превышении заданного времени работы оборудования на холостом ходу без загрузки. За счет повышения точности настройки станка на размер обработки удается снизить величину снимаемого припуска, что позволяет экономить древесину.

Показатели трудоемкости обслуживания обуславливают оптимальное распределение затрат материалов, труда и времени при эксплуатации оборудования. К ним относятся: количество основного обслуживающего персонала; объединенная удельная трудоемкость технических обслуживаний и ремонтов. Так, фрезерный станок c автоподатчиком заготовок обычно обслуживает оператор и подсобный рабочий. Оснастив станок возвратным конвейером с толкателем, появляется возможность обслуживания станка только одним оператором. При этом возрастает производительность труда и снижаются производственные расходы. Использование систем управления, способных запоминать положение шпинделя, элементов базирования и настройки для обработки типовых деталей, позволяет экономить время на настройку станка, используя уже отработанные алгоритмы настройки. А наличие систем диагностирования на базе светодиодов дает возможность оперативно производить наладку и ремонт станка, визуально определять причины сбоев и отказов в процессе эксплуатации в первую очередь в пневматических системах станка. Применение узлов централизованной смазки трущихся элементов станка значительно сокращает время, затрачиваемое на смазку, повышает удобство выполнения самого процесса, поскольку основная масса пресс-масленок концентрируется на легко доступной панели, откуда по пластмассовым трубкам смазка поступает непосредственно в зону трения. Панель может разбиваться на отдельные зоны, соответствующие расположению пресс-масленок под конкретные марки смазок, что снижает вероятность ошибки оператора.

Эргономические показатели учитывают комплекс гигиенических, антропометрических, физиологических и психологических свойств человека, проявляющихся в производственных процессах. Современная тенденция для станков высокого уровня – это перенесение органов управления и настройки (кроме кнопок аварийного выключения) с лицевой панели станка на установленную на кронштейне стола станка консоль. Много внимания уделяется удобству настройки и наладки станков, их технического обслуживания – органы настройки станка выводятся на один уровень и снабжаются цифровыми счетчиками положений, иногда и с электронной индикацией. Многие современные фрезерные станки снабжаются сенсорными экранами с индикацией всей информации о текущей настройке станка: положении направляющих линеек, угле наклоне шпинделя и частоте его вращения, виде режущего инструмента и его параметрах, скорости подачи и положении автоподатчика с возможностью их корректировки в ходе процесса обработки детали. Примером может служить дисплей «тач-скрин» фрезерного станка модели Linvincibile фирмы SCM.

К эргономическим показателям относятся: применение механизированных приводов на органах управления и настройки станка для снижения физической нагрузки оператора; размеры пульта управления и удобство рабочего места; цвета окраски, не утомляющие глаза человека, и ряд других.

Экологические показатели характеризуют уровень возникающих при эксплуатации оборудования вредных воздействий на окружающую среду – выбросов пыли и паров растворителей, кислот и других химических компонентов, электромагнитных и радиационных излучений и т.д. При выборе экологических показателей необходимо исходить из регламентов, рекомендаций, директив и правил международных организаций и стандартов РФ в области охраны природы.

Эстетические показатели – это стилевое соответствие, тщательность покрытия и отделки поверхности, чистота выполнения сочленений, скругления сопрягающихся поверхностей и другие. Многие станкостроительные компании независимо от назначения конкретного станка выполняют его в одном композиционном исполнении, в одной цветовой гамме, принятой для конкретного производителя. Такое решение позволяет при создании производственной линии из станков различного технологического назначения сохранить единство стиля, обеспечить узнаваемость характерных признаков оборудования для этого бренда.