Токарное точение древесины

При радиальном точении движение подачи Ds перпендикулярно оси вращения заготовки, а лезвие резца расположено параллельно этой оси и перемещается в радиальном направлении. Траектория резания при радиальном точении представляет собой спираль Архимеда, при этом толщина срезаемого слоя постоянна и равна подаче на оборот a = S0. При радиальном точении в деревообработке осуществляется поперечное резание древесины. Лобовое точение – точение, при котором движение подачи перпендикулярно оси вращения заготовки, а лезвие резца расположено перпендикулярно оси вращения или с некоторым углом скоса. При лобовом точении может осуществляться и профилирующее движение подачи в направлении оси вращения Ds0. При этом виде обработки выполняется торцевое резание древесины. При тангенциальном точении движение подачи Ds перпендикулярно оси вращения заготовки, лезвие резца параллельно этой оси и перемещается по хорде (в тангенциальном направлении). При тангенциальном точении срезается непрерывный слой стружки изменяющейся толщины, а траекторией резания является спираль.

Такое точение осуществляется как при радиальном, так и поперечном резании древесины. Если лезвие резца прямолинейно и параллельно оси вращения, то при радиальном и тангенциальном точении деталь будет иметь цилиндрическую форму. А если лезвие резца наклонено к оси вращения, то обработанная деталь будет иметь коническую форму. При профильном лезвии обработанная деталь будет иметь форму тела вращения, образующая которого соответствует профилю лезвия. Осевое точение – точение, при котором инструмент совершает движение подачи Ds вдоль оси вращения заготовки. Траектория резания при осевом точении представляет собой винтовую линию. Обработанная деталь приобретает цилиндрическую форму. При осевом точении осуществляется поперечно-торцовое резание древесины. Если при осевом точении добавляется профилирующее движение Dsп (движение резца перпендикулярно оси вращения), то обработанная деталь имеет коническую или более сложную форму тела вращения, зависящую от соотношения скоростей движений подачи Ds и профилирования Dsп.

Особенности токарных станков

Деревообрабатывающие станки, реализующие технологический процесс точения, называются токарными, они придают обрабатываемым деталям в результате вращательного и поступательного движения заготовки или резцов форму тел вращения. В зависимости от способа базирования заготовки токарные станки подразделяются на три основных вида: центровые, лобовые и бесцентровые. В центровых токарных станках закрепление и базирование осуществляется во вращающихся центрах. В зависимости от длины лезвия токарного резца центровые станки делятся на две группы: коротколезвийные (длина лезвия меньше длины обрабатываемой детали) и длиннолезвийные (длина лезвия равна длине детали либо превышает ее с некоторым припуском). Центровой коротколезвийный станок предназначен в основном для продольного точения. Он может работать с использованием подручника или иметь механизированный суппорт.

Конструктивно простейший станок с подручником состоит из станины, литой или сварной из штампованных профилей, установленных на станине приводной передней (левой) и опорной задней бабок, несущих базирующие заготовку центры, причем задняя бабка может перемещаться по направляющим пазам станины для настройки на длину детали. Привод станка устанавливается в левой тумбе станины. На направляющих станины вместо суппорта установлена перемещаемая вдоль станины горизонтальная линейка, на которую токарь опирается резцом – стамеской, вручную вытачивая деталь, как правило, из вращающейся квадратной заготовки. Разметка профиля детали выполняется также вручную, а контроль профиля производят с помощью шаблона, повторяющего профиль детали, однако зачастую опытный токарь контролирует профиль «на глазок». В этом случае добиться высокой повторяемости сложной формы профиля от детали к детали практически невозможно, поскольку качество изделий зависит от опыта токаря и его глазомера. В целях безопасности и возможности травмирования станочника при резком врезании стамески в заготовку на косослое и ее изломе максимальная частота вращения шпинделя такого станка не должна превышать 2 тыс. об/мин.

Станки с механической подачей суппорта, в котором закреплены различные резцы для токарных операций, более совершенны и производительны. В них заготовка зажимается между центрами передней и задней бабок, причем задняя бабка выполняется подвижной для настройки на заданную длину детали. Передний центр станка устанавливается на шпинделе передней бабки, который приводится во вращение от двухскоростного электродвигателя через клиноременную передачу и трехступенчатую коробку скоростей. Частота вращения шпинделя регулируется ступенчато в диапазоне 40–400 об/мин. Резец закрепляется в поворотном резцедержателе, который установлен на поперечном суппорте, перемещаемом вручную маховичком. Поперечный суппорт, в свою очередь, расположен в призматических направляющих на механизированном продольном суппорте, который получает перемещение от привода шпинделя через четырехступенчатую коробку передач, ходовой вал, группу шестерен и зубчатую рейку.

Для обработки круглых, но достаточно плоских деталей типа тарелки или диска существуют лоботокарные станки, позволяющие закреплять детали на планшайбе шпинделя только с одной стороны. Точение заготовки осуществляется с ее торцевой стороны, по образующей и частично со стороны, прилегающей к шпинделю. На типовых токарных станках с механизированным суппортом заготовка фиксируется на шпинделе с левого торца передней шпиндельной бабки на планшайбе с помощью кулачкового патрона, а сам лобовой суппорт выполняется приставным. Перемещение резца может быть как ручным, так и механизированным с помощью индивидуального электропривода, в том числе и по копиру. Планшайба приводится во вращение от электродвигателя с регулируемой скоростью вращения, что позволяет поддерживать стабильную скорость резания при перемещении резца от максимального диаметра обработки практически до нуля по центру изделия. Такие станки используются в основном в модельных цехах для производства деталей в том числе и большого диаметра (до 2000 мм и более). В токарно-копировальных станках обработка детали ведется по копиру, повторяющему форму детали.

Суппорт станка, перемещаясь по направляющим станины, кинематически связан с копирным роликом, который, прижимаясь к копиру пружиной, пневмоили гидроцилиндром, перемещает за собой резец суппорта по двум координатам – поперек и вдоль оси детали, повторяя форму копира и формируя нужный профиль детали. Копир, как правило, представляет собой узкую стальную пластину, по одной из продольных сторон которой выполнен профиль, соответствующий требуемому продольному профилю готовой детали, а с другой стороны расположены крепежные отверстия. У многих токарно-копировальных станков используется гидравлический привод для вращения детали, ее зажима и подачи суппорта, позволяя плавно регулировать режим обработки. Для повышения точности обработки тонкой заготовки и избегания ее «бочкообразности» на суппортах или станинах многих токарных станков предусмотрена возможность установки люнетов – устройств, исключающих изгиб детали как под действием осевого зажимного усилия между центрами, так и поперечных составляющих силы резания при точении.

Зачастую, особенно при точении сложного профиля, обработать заготовку за один проход невозможно, поскольку форма токарного резца для продольной обработки, как и размеры копирного ролика, обкатывающего профиль копира, не позволяют выполнять остроконечные и ступенчатые переходы профиля малых сечений, формировать фаски, галтели, узкие кольцевые канавки. Для устранения этого недостатка на дополнительную направляющую, параллельную оси станины, устанавливается еще один суппорт, несущий ряд резцов, позволяющих обрабатывать ранее несформированные фрагменты профиля. Кроме того, часто на этом суппорте располагают два отрезных резца, определяющих конечную длину детали. После копирования основного профиля дополнительный суппорт поперечно или качанием в шарнирах надвигается на деталь, а его резцы, размещенные в соответствующих местах профиля, дорабатывают ее до заданной чертежом формы. Центровой длиннолезвийный станок (чаще станокавтомат) имеет поперечную подачу и предназначен для изготовления массовых изделий небольших габаритов. Обработка осуществляется фасонным резцом, имеющим ту же длину, что и деталь.

Резец может подаваться на деталь надвиганием или поворотом его в шарнирах. Заготовки подаются из магазинов-питателей поштучно и зажимаются между вращающимися центрами станка. На тяжелых станках длинная квадратная заготовка на первой позиции получает предварительно цилиндрическую форму, а затем на второй позиции – нужный профиль фасонным резцом и отрезается, падая в бункер-накопитель. Производительность таких станков может достигать нескольких сотен, а то и тысяч изделий в час. Однако существенными недостатками этого оборудования являются низкое качество обработанной поверхности и образование сколов, особенно на узких участках профиля. Это связано в первую очередь с тем, что резание осуществляется поперек волокон древесины и значительными величинами поперечной подачи на один оборот заготовки. Необходимость изготовления в токарно-копировальных станках под каждый профиль точеного изделия собственного копира является существенным недостатком станков этой группы.

Это повышает себестоимость готовой продукции и снижает коэффициент использования станка вследствие переустановки копира другого профиля и его подналадки. На сегодняшний день в деревообработке определенный интерес представляют центровые токарные станки с вращающимся инструментом. Они оснащаются суппортами, несущими многозубые фрезы, напоминающие толстые дисковые пилы небольшого диаметра, ось вращения которых параллельна оси заготовки. В этом случае при тех же значениях поперечной подачи снимаемый припуск значительно меньше, а качество обработанной поверхности более высокое, несмотря на преимущественно поперечный вид резания. Кроме того, более узкий проход инструмента небольшой толщины (при резании – ширины) позволяет воспроизводить мелкие фрагменты составляющих участков профиля детали, а также более сложные детали, например, балясины винтового профиля. Частота вращения фрезы в большинстве конструкций станков составляет 3–6 тыс. об/мин. Станки с вращающимся инструментом можно отнести к группе токарных станков с большой натяжкой, хотя они и позволяют производить обработку тел вращения. При точении в большинстве случаев толщина стружки постоянна и равна подаче на оборот a = S0. При применении вращающегося инструмента (многозубых фрез) срезаемый припуск разбивается на отдельные фрагменты – сегментные стружки, более характерные для фрезерования. Кроме того, частота вращения заготовки в таком случае значительно ниже, чем при классическом точении.

Однако применение вращающегося инструмента позволяет заметно расширить технологические возможности станка за счет изготовления деталей достаточно сложной формы с витиеватым орнаментом. Такие станки правильнее называть фрезерными объемно-копировальными, поскольку вращающаяся фреза обрабатывает заготовку со всех сторон, повторяя форму копира (шаблона). Шаблон может выполняться плоским, тогда обрабатываемая деталь будет в форме тела вращения. Если использовать в качестве копира объемную модель детали, например балясины, можно производить объемное копирование формы заготовки по ее длине. Для этого необходимо установить объемную модель с возможностью синхронного осевого вращения с заготовкой в параллельных ей центрах, а подпружиненный копирный ролик кинематически связать между суппортом и моделью. При осевом перемещении суппорта подпружиненный копирный ролик будет обкатывать по пространственной спирали поверхность модели, прижимая к заготовке вращающуюся фрезу суппорта. В результате сложения двух движений фрезы – продольного и поперечного – будет осуществляться объемное формирование (копирование) сложной формы поперечного сечения заготовки по всей ее длине. Вместо дисковой фрезы, вращающейся на параллельном заготовке шпинделе, может быть использована концевая профильная фреза.

Новинки оборудования

Токарное оборудование постоянно дополняется и дорабатывается. Однако это справедливо только для иностранных компаний. В России оборудование для изготовления деталей вращения не производится. Последние модели токарно-копировальных станков зачастую оснащены системами числового программного управления (ЧПУ), что позволяет отказаться от металлических копиров, поскольку перемещение суппорта с резцом по двум и более координатам выполняется независимыми электроприводами с высокой точностью позиционирования. Это позволяет добиваться высокой производительности оборудования при минимальных затратах времени при переходе на новую форму – достаточно клика мышки в меню компьютера системы ЧПУ станка без какой-либо размерной настройки и наладки. Подача заготовок в станок обеспечивается наклонным магазином – питателем, загружаемым вручную. Кроме того, программным путем можно обеспечить оптимальные условия режимов резания и подачи для конкретной породы древесины, при этом среднее время обработки одной детали составляет около полминуты. Обеспечение высокой производительности станка требует его оснащения околостаночным оборудованием – устройствами автоматизированной загрузки/выгрузки (магазины, транспортеры, манипуляторы, промышленные роботы), устанавливающими заготовку в центрах, снимающими и передающими готовую деталь для дальнейшей обработки, например, шлифованием или укладывающими ее в бункер.

На сегодняшний день за рубежом разрабатывают обрабатывающие центры, позволяющие за одну установку детали выполнять ее точение, сверление отверстий, шлифование. Использовать современные токарно-копировальные станки для производства круглых деталей постоянного сечения (типа черенков лопат) нецелесообразно. Для этого существуют бесцентровые токарные станки проходного типа с осевой подачей квадратной заготовки. Наиболее распространены станки для изготовления деталей диаметром от 8 мм (шканты для сборки мебели) до 50 мм (рукоятки садового инвентаря). В качестве режущего инструмента в таком станке используется полая роторная головка с резцами, режущие кромки которых обращены к оси ее вращения, вдоль которой подается заготовка. Так, например, в отечественном станке КПА20-1 заготовка квадратного сечения с подающего лотка захватывается верхним и нижним вальцами, по форме каждый из которых представляет обращенные навстречу друг другу два усеченных конуса с рифлением по их образующим поверхностям.

Угол в месте стыка конусов составляет 90°, что позволяет надежно базировать и подавать в процессе обработки заготовку в станок, не давая ей возможности вращаться. Заготовка поступает в ножевую головку, вращающиеся резцы которой придают ей цилиндрическую форму, а после выхода из головки она захватывается задними вальцами с седлообразной рабочей поверхностью. Задние вальцы – сменные, радиус седла зависит от радиуса обрабатываемого изделия. Прижим вальцов, как передних, так и задних, к заготовке осуществляется пружинами.

Для центрирования детали при выходе из станка и уменьшения ее колебаний устанавливается направляющая втулка. Привод подачи и привод резания обеспечивается от одного электродвигателя через систему механических передач. К недостаткам таких станков следует отнести сравнительно низкое качество обработанной поверхности, требующей последующего шлифования, а также возникающую значительную нагрузку в заготовках малого диаметра на скручивание от моментов сил резания, что приводит при наличии дефектов древесины, в первую очередь – косослоя, к ее расщеплению и излому. Существуют круглопалочные станки, которые позволяют производить обработку криволинейных заготовок после гнутья, например, ножек широко известного венского стула. Кроме обычных токарных станков также в деревообработке встречается оборудование, предназначенное для производства специальной продукции. Например, при изготовлении деревянных трубчатых деталей используются токарные станки с механизированным суппортом и люнетом, в которых специальное невращающееся сверло, называемое пушечным, подается в заготовку по оси через полый шпиндель задней бабки. «Близкими родственниками» токарного станка являются станки для производства оцилиндрованных бревен для домостроения и малых архитектурных форм. Это оборудование отличается заметными габаритами (длина обрабатываемого бревна составляет до 12 м) и массой (до 8 т). Станки, в зависимости от способа базирования бревна при обработке, делятся на станки проходного и позиционного типа. Станок проходного типа напоминает по конструкции круглопалочный станок, где бревну диаметром до 360–400 мм придается форма цилиндра, а на выходе из станка на нем еще выбирается и продольный серповидный сборочный паз того же диаметра, что и бревно.

Станок позиционного типа напоминает суппортный токарный станок, в центрах которого закрепляется бревно и приводится во вращение. Перемещающийся вдоль оси бревна суппорт обрабатывает вращающейся торцово-конической фрезой периферию бревна, придавая ему форму цилиндра. После оцилиндровки бревно в центрах фиксируется неподвижно. Суппорт разворачивается на 90°, и в работу вводится вторая, пазовая фреза, формирующая во время обратного хода суппорта сборочный паз. Различные модификации оцилиндровочных станков позволяют изготавливать, например, архитектурные колонны, на поверхности которых выполнены грани, пазы различного сечения и формы по винтовой линии с направлением левая/правая и многое другое.

Токарный инструмент

Особенности конструкции дереворежущего инструмента диктуются физико-механическими свойствами обрабатываемого материала (породы древесины или композита на ее основе), размерами детали, технологическими требованиями к точности обработки и шероховатости формируемой поверхности, конструктивными особенностями станка, режимами обработки и еще целым рядом требований. Операция точения выполняется с помощью токарных резцов. Такой резец – это однолезвийный инструмент для обработки деталей с вращательным главным движением резания и возможностью движения подачи в любом направлении. Токарные резцы могут быть ручные, суппортные, резцы круглопалочных патронов и оцилиндровочных станков.

Кроме того, различают резцы для предварительного и чистового точения. Для обеспечения требуемого качества обработки и стойкости резцов они должны иметь следующие геометрические параметры: задний угол <= 8–15°, угол заострения равен ®= 30–40° и передний угол ©= 45–50°. Ручные токарные резцы при работе базируют на специальном подручнике токарного станка и удерживают руками, перемещая их по поверхности подручника вдоль оси обрабатываемой детали. Для чернового точения применяются обдирочные резцы с полукруглым лезвием в виде желобчатой пластины с фаской.

Ширина резца в зависимости от вида обработки находится в диапазоне 3–50 мм, угол заострения равен ®= 30–35°. Такими резцами можно работать с подачей на оборот a до 3 мм при глубине точения не более 5 мм. Для чистового точения используются резцы с косым лезвием. Ширина чистовых резцов (косяков) обычно 6–50 мм, угол заострения лезвия ®= 20–30°, скос лезвия резца 70–80°. Такими резцами можно работать с подачей на оборот a = 0,5–1,5 мм при глубине точения 1–2 мм. Для обточки внутренних поверхностей деталей применяют расточные резцы (крючки), обычно имеющие криволинейную режущую кромку. Для нарезания резьбы применяют резцы-гребенки. Толщина плоской части ручных токарных резцов составляет 3–4 мм, длина рабочей части резца – 110–130 мм, общая длина с рукояткой составляет порядка 265 мм. При работе с подручником вершину лезвия располагают несколько выше оси центров токарного станка, придавая резцу такой уклон, чтобы поддерживался угол резания 45–50°.

Ручные токарные резцы изготавливают в большинстве случаев из углеродистых инструментальных сталей У10А, У12 (НRСэ = 52–56), а станочные резцы – из легированной стали ХВГ, шарикоподшипниковой стали ШХ15 или быстрорежущей стали марок Р9 и Р6М5 (НRСэ = 57–60). Станочные токарные резцы закрепляются в суппорте станка, как и в санках для металлообработки. В зависимости от назначения – проходные, отрезные, резьбовые, фасонные – они подобно ручным резцам имеют различную геометрию режущей части. Наилучшие угловые параметры главного лезвия станочного резца: задний угол ®= 8–15°, угол заострения ®= 30–40° и передний угол ©= 45–55°. Резцы круглопалочных головок представляют собой сменные ножи для ножевых головок круглопалочных станков, предназначенных для изготовления деталей цилиндрической формы либо деталей с плавно меняющимся по длине ее диаметром. Примером могут служить детали типа черенков лопат. Фактически ножи круглопалочных станков являются разновидностью стамесок – станочных токарных резцов. Они закрепляются в режущей головке болтами. Со стороны входа заготовки режущая кромка резца имеет закругленную фаску для плавного врезания в древесину.

История развития токарных станков

Точение известно с 650 г. до нашей эры и служило в первую очередь для изготовления различных украшений – бус, браслетов и т.п. из древесины или слоновой кости. Первые токарные станки представляли собой деревянный остов, на котором с двух противоположных сторон монтировались два соосных центра, служащих для закрепления между ними обрабатываемой заготовки. Заготовка приводилась во вращение подмастерьем вручную либо с помощью устройства, представляющего собой лук со «свободной» тетивой, охватывающей петлей чаще всего саму заготовку. В руках у мастера находился резец, перемещая который в продольном и поперечном направлении к оси вращения заготовки, с нее срезалась стружка и формировался нужный профиль детали. Вращение заготовки вперед-назад использовалось до середины XV в., правда, уже с помощью ножного привода. Такой привод включал очеп – своеобразную пружину из упругой жерди, которая закреплялась консольно над станком. Примерно к 1430 г. в качестве привода токарного станка был применен кривошипно-шатунный механизм с приводом от качающейся педали, что обеспечило стабильное вращение заготовки в процессе точения в одном направлении вместо колебательного движения при использовании очепа. Однако резец все равно мастер держал в руках. С начала XVI в. токарный станок обрел стальные центры и люнет, который исключал прогиб детали при точении и мог устанавливаться в любом положении между центрами, а затем и механизм для нарезания цилиндрических и конических винтов.

Механический привод токарные станки получили в XVII в., когда заготовка стала приводиться во вращение от водяного колеса. В XVIII в. при точении было механизировано перемещение резца, что позволяло выполнять обработку по нанесению сложных орнаментов на ювелирные изделия, изготавливать сложные детали вращения для решения технических задач в первую очередь в металлообработке. К середине века появился поперечный суппорт, близкий по конструкции к суппортам современных станков, а в 40-х гг. XIX в. в деревообработке появились и первые токарные станки-автоматы. В конце XIX в. станки стали приводиться в движение от группового привода через трансмиссию, а с появлением индивидуального привода в 30-х гг. XX в. – от электродвигателя. Совершенствование современных токарных станков в последнее время осуществляется за счет широкого внедрения в их системы управления микроэлектронных компонентов, позволяющих программным путем обеспечивать высокую точность взаимного перемещения резца и заготовки при формировании широкого спектра формы точеных деталей.