Использование шипорезных станков

Шиповое соединение – это неразъемное сочленение деталей и узлов в единое целое на специально выполненных на этих деталях элементах в виде шипов и гнезд различной формы и конструкции. Деревянные изделия, элементы которых соединены таким образом, могут иметь разную конструкцию – это могут быть рамки, ящики, щиты, а также отдельные детали. Рамочная конструкция собирается либо из двух продольных и двух поперечных брусков без промежуточных элементов (связей), либо со срединными брусками в виде импостов или решеток. Для повышения механической прочности шипового соединения используют клей, шканты или на смежные элементы соединения ставят металлические крепежные детали в виде пластин, уголков и т.д. По месту расположения в изделии различают шиповые соединения угловые, концевые и срединные.

Для каждой подотрасли в деревообработке имеются свои ГОСТы, регламентирующие классификацию, конструкции, размеры и точность применяемых видов шиповых соединений с учетом специфики производства определенных изделий. Например, в деревянном домостроении для угловых и Т-образных соединений брусчатых и бревенчатых соединений эти параметры регламентированы ГОСТ 30974-2002, для дверей – ГОСТ 475-78, в производстве мебели – ГОСТ 9330-76, для клиновых зубчатых соединений деталей по длине и ширине – ГОСТ 19414-90. Концы двух брусков под углом соединяют с помощью плоских прямоугольных (рамных) или клиновых (зубчатых) шипов. Шипы в плане могут быть не только прямоугольными, все зависит от формы изделия. Например, окна могут быть треугольными, круглыми, шестигранными и т.д., следовательно, и форма шипов на элементах створок должна быть соответствующей.

Наиболее распространенным рамным соединением является соединение на прямой рамный шип. Оно может выполняться на сквозной одинарный, двойной или тройной шип и соответствующую ему ответную часть – проушину. Обычно шипы формируют на коротких поперечных брусках рамки, а проушины – на длинных продольных, если при эксплуатации предполагается устанавливать продольные бруски рамки вертикально. В конструкции плоского одинарного шипового соединения различают следующие элементы шипа: две боковые грани (пласти, которые называют еще щечками), примыкающие к боковым граням два заплечика и торцевую грань (вершину). У проушины различают две боковые пласти, внутреннюю торцевую грань (дно) и две внешние торцевые грани.

Помимо открытого сквозного соединения, часто выполняется несквозное шиповое соединение на шип с потемком или полупотемком. В этом случае вставленная в гнездо торцевая грань (вершина) шипа скрыта или частично выступает на боковую внешнюю поверхность рамки. Зачастую используется угловое соединение «на ус» с применением плоских шипов или шкантов – вставных круглых рифленых шипов из древесины твердых пород. Шканты устанавливаются на клею в выполненные заранее в обеих стыкуемых поверхностях глухие отверстия. Концы соединяемых брусков в этой конструкции предварительно торцуются под углом 45°. Толщина шипов, ширина проушин и диаметр шкантов имеют стандартные размеры. Их выбирают в зависимости от толщины (ширины) соединяемых деталей из ряда 4–16 мм (через 2 мм), 20 и 25 мм в соответствии с техническими характеристиками режущего инструмента, которым будет выполняться данное соединение.

В европейских странах достаточно широко используется угловое соединение на клиновых шипах, например для сборки оконных створок. Эти шипы для углового концевого соединения формируются с одинаковым для обоих брусков шагом на предварительно торцованных концах брусков под углом в 45°. Чтобы острые концы шипов не выступали на внешних углах рамки, перед сборкой на торцах брусков обрабатывают фаску (скос) под углом в 45°, размер которой соответствует высоте шипа. Для прочности углового соединения на клиновых шипах часто добавляются шканты. Такой вид соединения обеспечивает необходимую прочность и надежность рамки и не портит ее внешний вид.

Угловое концевое соединение широких деревянных или фанерных заготовок для сборки ящиков, коробок и т.д. выполняется с применением открытых прямоугольных ящичных шипов. В качестве режущего инструмента используются прорезные цельные фрезы, толщина которых соответствует ширине проушины, собранные на шпиндельной инструментальной оправке через дистанционные втулки, высота которых определяет ширину формируемого шипа. Раньше для углового концевого соединения широко применялось соединение на шип типа «ласточкин хвост» с плоскими или скругленными гранями. У мебельных ящиков шипы «ласточкин хвост» выполняются закрытыми с лицевой стороны, а переднюю стенку ящика делают более толстой, чем боковая. Такие технологии до сих пор можно увидеть на некоторых мебельных предприятиях. Для сборки ящиков используется и соединение на шкантах.

Угловое серединное шиповое соединение применяется при сращивании конца одного бруска со средней частью другого. Оно может выполняться в виде плоского одинарного шипа и прямоугольного сквозного или несквозного гнезда. При больших поперечных сечениях детали собирают на двойной шип и два гнезда. При производстве мебели, чаще всего – стульев, детали соединяют с помощью прямого или косого скругленного шипа и соответствующего ему гнезда с торцевыми кромками овальной формы. Для соединений крупногабаритных деталей в деревянном домостроении иногда выполняют несквозное серединное соединение типа «ласточкин хвост». Форма и размеры шиповых элементов соединений определяют прочность сопряжения, поэтому их выбирают в зависимости от конструкции изделия и предъявляемых к нему требований.

Шиповое соединение для сращивания заготовок по длине осуществляется с помощью клиновых (зубчатых) шипов разнообразной формы и размеров. Эти шипы могут выполняться как с притупленными (плоскими) торцевыми вершинами зубьев, так и остроконечными, что определяется конструкцией фрезерного станка, формирующего шип. Наибольшее распространение получили клиновые шипы с вертикальной и горизонтальной ориентацией шипов относительно пласти доски (бруска), а также клиновое шиповое соединение с заплечиками. Если в первом случае на поверхности сращивания древесины будет равномерная зигзагообразная линия склейки, то во втором случае – склейка по прямой линии. Основными параметрами зубчатого соединения в соответствии с ГОСТ 19414-90 «Древесина клееная массивная. Общие требования к зубчатым клеевым соединениям» являются длина шипа и его шаг. Для исключения раскалывания заготовок по волокнам в процессе торцевого обжатия запрессовки при их склеивании вершины шипов немного притупляются, что позволяет получить в соединении гарантированный зазор.

В зависимости от конструктивного назначения детали, клиновые шипы по длине могут быть: длинные (32–50 мм) – для массивных клееных конструкций типа большепролетных балок перекрытий зданий, мостов и т.д., средние (10–20 мм) – для столярно-строительных деталей, и мелкие (3–5 мм) для мебельных деталей, щитов и декора. Точность формирования зубчатых шипов должна соответствовать квалитету 13 по ГОСТ 6449.1, а шероховатость их поверхности не должна превышать 200 мкм. Торцевое давление запрессовки при склеивании устанавливается в зависимости от геометрических параметров зубчатого соединения, размеров поперечного сечения заготовки и породы склеиваемой древесины. Чем меньше длина шипа, тем выше давление запрессовки. Основной характеристикой зубчатого клеевого соединения является его абсолютная или относительная прочность, значения которой устанавливаются в нормативно-технической документации на изделие. Относительная прочность определяется отношением абсолютной прочности соединения к величине прочности цельной древесины и измеряется в процентах. По прочности зубчатые соединения разделяются на две категории относительной прочности: первая – не менее 75%, вторая – не менее 60%.

Получение элементов шипового соединения может осуществляться различными способами – пилением, фрезерованием, сверлением, долблением. Например, клиновые зубчатые шипы формируются путем фрезерования, протягивания, штампования или прессования. Однако последние три способа обработки для производства зубчатых шипов в промышленности распространения не получили, поскольку не обеспечивают требуемого качества поверхности и точности формообразования шипов, а также являются энергозатратными. При обработке шипов обычно используют процессы пиления и фрезерования, а также и соответствующий комплект режущих инструментов, каждый из которого выполняет формирование своей элементарной поверхности шипового соединения. В любом случае вне зависимости от вида шипов первой технологической операцией является торцевание заготовки, позволяющее поперечным пилением формировать размер детали по длине и обрабатывать торцевую грань шипа. Эта операция выполняется круглой пилой с соответствующей формой режущего зуба.

Для рамного прямого шипа его плоские грани также можно формировать круглыми пилами другой разновидностью пиления – торцово-продольным, а заплечики обработать поперечным пилением. Можно и проушину формировать пилами различной формы, однако ввиду невысокой поперечной жесткости пил достаточно сложно обеспечить нужную точность и шероховатость боковых поверхностей шипового соединения. Поэтому боковые пласти шипов, и особенно проушин, обрабатывают специальными фрезами с более толстым и жестким, чем у пилы, корпусом, название которых говорит об их технологическом назначении – проушечные фрезы (диски).

Способы обработки

Для наиболее распространенных шипорезных станков, использующих при формировании шипов торцевое фрезерование, будет достаточно их оснащение четырьмя шпинделями – одним пильным и тремя фрезерными. Существуют шипорезные станки одно- и двухсторонние, которые позволяют за один проход детали формировать готовый шип либо с одного, либо с обоих торцов заготовки. Во втором случае число режущих суппортов у станка вдвое больше, а их расположение относительно направления подачи заготовок выполняется зеркально симметрично. Среди односторонних шипорезных станков наиболее распространен в России станок марки ШО16-4 – шипорезный односторонний с максимальной толщиной обрабатываемого бруса 160 мм и четырьмя суппортами. Конструктивно он выполнен в виде станины, представляющей собой литую чугунную колонну, на которой смонтированы четыре режущих суппорта, изготовленные на базе типовых агрегатных головок. Сбоку колонны крепится опорная балка с двумя направляющими, по которым с помощью цепи перемещается подающая заготовки каретка, а также гидравлический привод подачи каретки.

Суппорты представляют собой специальные электродвигатели для деревообрабатывающего оборудования серии МД с удлиненными валами, способные нести массивный дереворежущий инструмент. Они устанавливаются на основаниях, обеспечивающих настройку инструмента относительно заготовки по двум или трем координатам с помощью винтовых и червячных передач.

Обрабатываемая заготовка или ковер заготовок укладывается на стол каретки и базируется кромкой по направляющей линейке, а торцом – по упору. Поскольку формирование шипа осуществляется торцевым резанием, при котором возможны сколы на выходе инструмента из заготовки, на направляющей линейке устанавливается подпорный брусок с контрпрофилем, препятствующий образованию таких сколов. При включении привода подачи последовательно срабатывают боковой и верхний гидрозажимы, фиксирующие заготовку в процессе обработки. Затем каретка с обрабатываемой заготовкой перемещается с заданной скоростью по двум цилиндрическим направляющим вдоль режущих инструментов, последовательно формируя заданную форму шипа в процессе рабочего хода, реверсируется и возвращается в исходное положение для разгрузки готовых деталей и загрузки новых заготовок.

Недостатком станка, работающего по циклопроходной схеме, является наличие холостого хода. Поскольку каретка по окончании цикла обработки, пусть и с большей скоростью, должна вернуться в исходное положение, это заметно снижает производительность обработки. Подача каретки обеспечивается с помощью цепной передачи от гидропривода, позволяющего плавно регулировать скорость подачи в диапазоне 2,5–15 м/мин.

В двухсторонних шипорезных станках, предназначенных для одновременного формирования рамных шипов и проушин на обоих концах детали, используется метод проходной обработки. Примером такого оборудования может являться отечественный шипорезный двухсторонний станок с максимальной длиной заготовки 1600 мм, имеющий 8 суппортов (ШД16-8). Это оборудование снабжено конвейерным механизмом подачи, размещенным между двумя установленными зеркально симметрично суппортными колоннами, несущими 4–5 режущих суппортов, как и в одностороннем шипорезном станке, которые обращены в сторону конвейера. Одна из колонок, как правило, левая, установлена на основании станины неподвижно, а вторая – правая – смонтирована на призматических направляющих основания станины с возможностью перемещения относительно левой, за счет чего обеспечивается настройка станка на нужный размер обрабатываемой детали по длине.

Конвейерный механизм подачи представляет собой две параллельные цепи специальной конструкции, установленные каждая на двух туерах (звездочках с крупным шагом), которые скользят по направляющим. На наружной стороне каждой цепи с постоянным шагом установлены толкатели заготовок с деревянными подпорами, препятствующими образованию сколов. Движение конвейера обеспечивает регулируемый электропривод, скорость подачи которого варьируется в диапазоне 5–60 м/мин. В процессе подачи заготовка прижимается с помощью прижимного конвейера, состоящего из двух широких приводных ремней, поджимаемых комплектом подпружиненных роликов, расположенных равномерно на рабочих ветвях ремней. Привод ведущих шкивов прижимного конвейера выполнен от приводного туера подающего конвейера через шестерни и карданную передачу. Причем линейная скорость подающего и прижимного конвейеров различаются на 0,5–1%, за счет чего обеспечивается не только прижим заготовки к горизонтальным направляющим, но также и к базовой поверхности толкателей. Это позволяет повысить надежность базирования заготовки на конвейере и исключить ее перекос в горизонтальной плоскости при нарезании шипов.

Прижимной конвейер может перемещаться по высоте при настройке станка на необходимую толщину заготовки либо вручную, либо с помощью электропривода. Перемещение правой суппортной колонки при настройке по направляющим на длину детали, как правило, от 200 до 2800 мм, осуществляется от отдельного электродвигателя через муфту, червячную передачу и две винтовые пары. При небольших скоростях заготовки загружаются в станок вручную, а при значительных – с помощью магазинных питателей или разборщиков штабелей. Аналогичным образом происходит и приемка готовых деталей на выходе из станка.

В последнее время широкое распространение для формирования рамных шипов получили так называемые «оконные» обрабатывающие центры, служащие для изготовления комплектов деталей рамочных конструкций, чаще всего окон и дверей. В их основу положен принцип использования комбинации инструмента на шпинделе. Он заключается в том, что на одном многопозиционном шпинделе, имеющем настроечное перемещение вдоль своей оси, монтируются насадные фрезы различного профиля. Их суммарная высота может достигать 700 мм. Фрезы подобраны так, что из сочетания их профилей складываются несколько заданных профилей, в том числе и шипов, деталей оконных створок и коробки. Переход от одного профиля к другому происходит только за счет перемещения шпинделя по высоте без какой-либо настройки или смены режущего инструмента.

Шипорезный участок и участок продольной обработки располагаются под прямым углом друг к другу, поэтому такие обрабатывающие центры и называют «угловыми». Шипорезный участок состоит из пильного суппорта, шипорезного суппорта с набором фрез различного профиля и каретки для базирования и подачи брусковых заготовок. Суппорты имеют двухкоординатную настройку. Детали укладываются на каретку. При ее движении по направляющим подаваемые заготовки торцуются пилой, и на их торцах вертикальным (шипорезным) шпинделем формируется шип. Для изменения профиля обработки достаточно переместить шпиндель по высоте на нужную величину. Если необходимо обработать заготовку с двух концов, цикл повторяется. После окончания нарезания шипов заготовки автоматически передаются на вальцовый механизм подачи продольно-фрезерного участка, расположенного под прямым углом к шипорезному участку. Там с помощью фрезерных шпинделей формируется поперечное сечение детали, позволяющее сопрягать смежные угловые участки конструкции окна, включая и профильные заплечики, и проушины соединения.

Конструкция шпинделей участка продольно-фрезерной обработки аналогична шипорезному шпинделю. Участок продольного фрезерования состоит из двух суппортов профильного фрезерования, пильного суппорта для выпиливания штапика и вальцового механизма подачи. Второй по порядку суппорт может осуществлять встречное или, при изменении вращения, попутное фрезерование. При встречном фрезеровании он участвует в формировании профиля заготовки наравне с первым суппортом, снимая часть припуска.

Станок позволяет производить как одностороннее профилирование деталей элементов окна, так и обгонку по наружному периметру створки окна после ее сборки. В этом случае профиль створки сначала обрабатывается первым суппортом, который на заключительной стадии обработки в зоне фрезерования углов рамки отводится от створки. В работу вступает второй суппорт, работающий с попутной подачей, вращающийся в противоположную первому суппорту сторону. Он оснащается набором фрез для попутного фрезерования, аналогичным по профилю сечения набору фрез первого суппорта, для исключения сколов по торцам брусков створок, по так называемой системе «антискол». Инструментальный блок шпинделя может иметь набор из трех, четырех и более типов насадных фрез.

Кроме угловых центров, имеющих продольный и поперечный участки обработки, расположенные под прямым углом, существуют станки, позволяющие производить обработку деталей окон косоугольной формы. Примером такого станка может служить оконный центр Unicontrol. Формирование скругленных шипов, иногда с рифлением для повышения прочности последующего склеивания при сборке, может выполняться на двухстороннем шипорезном станке. Клей, попадая в рифли шипа, увеличивает адгезию клеевого шва. Подобные операции выполняются, например, на двухстороннем шипорезном станке Т90 итальянской фирмы PADE. Соединение на прямой ящичный шип может выполняться на односторонних или двухсторонних шипорезных станках. Рассмотрим конструкцию отечественного одностороннего станка марки ШПК-40. Оборудование предназначено для фрезерования на заготовках шириной до 400 мм прямых и до 110 мм клиновых (зубчатых) шипов. Конструктивно станок имеет вертикальную компоновку. В верхней части станины расположен пульт управления станком и его электрооборудование, а также прижимы заготовки. Внутри жесткой литой станины в подшипниковых опорах смонтированы механизмы резания, подачи и гидрооборудование станка. На вертикальных направляющих станины установлен горизонтальный литой стол механизма подачи, служащий для базирования заготовок и их подачи в зону резания.

Механизм резания представляет собой горизонтальный суппорт, на шпиндель которого устанавливается инструментальная оправка с комплектом режущего инструмента – прямых или клиновых фрез. Инструментальная оправка может выполняться по длине из двух частей, стыкуемых между собой через зубчатую муфту, что делает смену инструмента удобной. В качестве фрез для формирования прямого шипа чаще всего используются двухзубые фрезы-крючья, установленные на оправке по винтовой линии для снижения динамичности процесса резания.

Механизм подачи станка выполнен в виде стола с гидроприжимами заготовок, перемещаемого по направляющим станины с помощью гидроцилиндра. По краям стола закреплены две регулируемые базовые линейки, позволяющие настраивать положение крайних проушин для двух стыкуемых между собой при сборке смежных деталей соединения. На станине установлен передний перемещаемый упор, с помощью которого на заготовке устанавливается высота шипа (глубина проушины). Заготовки укладываются вручную на стол под прижимы и базируются боковой кромкой по линейкам, а торцами – в передний перемещаемый упор. При включении станка срабатывает прижим заготовок к столу двумя гидроцилиндрами, включается суппорт, и стол с заготовками опускается на режущий инструмент суппорта. После нарезания шипов стол перемещается в исходное положение, прижимы освобождают деталь. Далее цикл обработки повторяется. Толщина обрабатываемой заготовки составляет 8–100 мм при длине прямого шипа до 50 мм, а зубчатого – до 10 мм. Скорость подачи стола плавно регулируется до 6 м/мин.

Соединение на клиновой зубчатый шип применяется чаще всего для продольного сращивания по длине бездефектных заготовок. Типовая линия сращивания на клиновой зубчатый шип позволяет стыковать по торцам заготовки с максимальной шириной 150 мм, толщиной не более 50 мм и длиной не менее 150 мм. Такая линия имеет Г-образный вид и состоит из двух конструктивно независимых участков. На первом участке загружается пакет заготовок на каретку режущего агрегата, который торцует заготовки, нарезает зубчатые шипы последовательно сначала с одного торца заготовки, затем – с другого, и далее наносится на второй торец с шипами клей. Второй участок представляет собой продольный пресс для склеивания заготовок торец в торец на шипы и раскрой сформированной плети на мерные детали. Оператор из штабеля вручную укладывает на стол подающей каретки, являющейся механизмом подачи режущего агрегата, пакет заготовок различной длины. Стол каретки представляет собой реверсивный ленточный конвейер длиной не более 1 м и шириной порядка 500 мм.

При включении конвейера заготовки перемещаются по его ленте за счет трения в зону базирования, прижимаясь торцами к базовой планке, и выравниваются по ней. Следом включается боковой пневматический прижим пакета к направляющей линейке, а затем и вертикальный прижим пакета к столу, как на одностороннем шипорезном станке. Это позволяет обеспечить надежное базирование заготовок в процессе обработки. Далее каретка с заготовками начинает движение подачи по направляющим режущего агрегата в зону резания, где заготовка обрабатывается последовательно двумя блоками – пильным и фрезерно-шипорезным. Вначале торцы пакета заготовок обрабатываются торцовочной дисковой пилой. Фрезерный блок мощностью порядка 15 КВт позволяет фрезеровать шипы длиной от 4 до 15 мм. Для исключения образования сколов при фрезеровании шипов на последней детали пакета применяется подпорная планка, профиль которой полностью соответствует профилю нарезаемых зубчатых шипов. Затем каретка с заготовками возвращается в исходное положение, заготовки расфиксируются и вручную разворачиваются на 180°.

Далее цикл обработки повторяется, но после каждого повторного пересечения кареткой луча оптического датчика, расположенного на корпусе режущего агрегата, фрезерно-шипорезный суппорт поднимается на половину высоты зубчатого шипа, чтобы в дальнейшем обеспечить стыковку заготовок в одной плоскости. После фрезерования шипов на втором торце заготовок они очищаются от остатков стружки и пыли, а затем проходят через клеенаносящее устройство, и каретка останавливается. Рабочий орган клеенаносящего устройства, обычно в виде гребенки из специального пластика с низким коэффициентом трения, имеющей контрпрофиль нарезанному шиповому соединению, служит для равномерного нанесения клея на поверхность шипов с одного торца заготовки через отверстия в боковых клиновых поверхностях контрпрофиля. Далее второй оператор снимает со стола пакет заготовок с нарезанными с обоих торцов шипами и нанесенным клеем и передает их вручную на устройство поштучной выдачи для загрузки на продольный пресс.

Приводные вальцы пресса разгоняют заготовки друг за другом вдоль направляющей линейки и направляют их торец в торец, осуществляя за счет разницы скоростей предварительное опрессовывание плети заготовок на рольганге пресса. Одновременно боковые ролики пресса поджимают каждую заготовку к направляющей линейке, выравнивая плеть заготовок по боковым кромкам. Как только длина плети достигает заданной величины, что контролируется автоматически, плеть останавливается, на нее сверху опускается кожух-прижим пильного суппорта. В этот момент из щели в столе поднимается вращающаяся пила, отрезающая часть плети с припуском по длине на дальнейшую усадку при прессовании.

К торцу плети подводится упор пневмоцилиндра, который включается для окончательного продольного обжима плети, чтобы все шипы отдельных заготовок плотно вошли друг в друга. При этом усилие прессования, которое развивается пневмоцилиндром обжима, может достигать 12 т, а в некоторых моделях линий и больше. Это зависит от размеров поперечного сечения склеиваемых заготовок. Одновременно на плеть сверху опускается верхняя прижимная траверса пресса, исключающая выгиб плети вверх. После предварительной выдержки в прессе давление с плети снимается, и она боковыми сбрасывателями сталкивается на вилочный стол-накопитель. Длина готовой сращенной плети может достигать 18 м и более. Наиболее известными производителями оборудования для торцевого сращивания древесины в мире являются фирма GreCon Dimter, входящая в группу Weinig (Германия), Ledinek (Словения), Spanevello (Италия) и ряд других. В России одним из ведущих производителей такого оборудования является фирма «Бакаут».

Последнее время все чаще для изготовления сложных шиповых соединений деталей в мебельной промышленности, производстве столярных изделий и в деревянном домостроении используются специализированные обрабатывающие центры с числовым программным управлением (ЧПУ). В них решение проблем гибкости и производительности, в отличие от угловых центров, достигается за счет использования большого объема режущего инструмента различных профилей и размеров в инструментальных магазинах и быстроты его смены. Основное преимущество такого оборудования заключается в возможности высокоточной обработки шипов детали сложной формы до полной готовности различными способами резания – пилением, фрезерованием, сверлением за одну установку заготовки на столе станка без ее перебазирования. На рынке предлагаются различные модели таких центров, позволяющие обрабатывать детали чаще всего по трем или пяти осям, в зависимости от размеров и сложности их формы. Так, например, для условий производства шиповых элементов стульев, кресел итальянскими фирмами PADE и Bacci разработана гамма специализированных обрабатывающих станков – 1000N, Spin, Twin Jet. Для столярных изделий и деревянного домостроения используются немецкие центры BMG 900 фирмы Homag, Conturex фирмы Weinig, К2 фирмы Hundegger и ряд других.