Фрезерные работы на станках с ЧПУ

Фрезерование относится к виду металлообработки, связанной с механическим удалением заданной части материала с/из тела детали. Обработка производится многолезвийным инструментом. Принцип фрезерования основан на резании вращающейся фрезой детали закрепленной на столе, который может перемещаться по трем координатам. Станки с ЧПУ имеют возможность организовать одновременное перемещение по всем координатам, что позволяет получать сложные пространственные поверхности. У станков со столом более 1500 мм перемещение по оси Z (вертикаль) организуют с помощью конструктивных особенностей станка — шпиндельный узел крепится на консоли или траверсе.

Классификация станков

Как таковой классификации у фрезерных станков с ЧПУ нет. Основные параметры — размеры рабочей поверхности стола и положение шпинделя: горизонтальное и вертикальное. Отсюда появляются одно и двухстоечные варианты станков с подвижным или неподвижным шпинделем. Различие также вносит способ смены инструмента. Замена на рабочей позиции может происходить по типу револьверной головки (поворот на требуемую позицию) или автоматическим устройством смены инструмента магазинного типа (к захвату сменного устройства подается нужный инструмент из накопителя барабанного или транспортерного исполнения). Второй вариант сложнее в технической части, но предпочтительнее из-за ряда достоинств. Это повышение жесткости шпиндельного узла, снижение его веса и большое количество инструментов в наладке, а также, возможность замены инструмента без остановки оборудования вне рабочей зоны. Технологическая гибкость фрезерных станков с ЧПУ определила общее название станков этой группы — обрабатывающий центр (ОЦ). Выбор того или иного варианта компоновки и комплектации зависит от базового (основного) типа изделий и технических требований. Многообразие вариантов позволяет подобрать нужную модель.

Фрезерование

В процессе фрезерования есть элементы, связанные с механикой и физикой процесса, обойти которые невозможно.
1. Консольный тип закрепления фрезы (в курсе механики — жесткая заделка), т.е. по мере удаления от точки закрепления жесткость фрезы снижается по экспоненте.
2. Нагрузки, возникающие в процессе резания, носят ударный (динамический) характер (винтовой наклон режущих кромок лишь снижает ударные нагрузки).
В сумме эти факторы накладывают серьезные ограничения на дальнейшее повышение режимов обработки. Стойкость режущего инструмента допускает повышение режима резания, но жесткость системы СПИД (станок, приспособление, инструмент, деталь) категорически нет.

Развитие электротехники, силовой электроники и микроэлектроники позволило существенно изменить режимы фрезерования. Удалось выделить шпиндельный узел в энергетически самостоятельный механизм с собственной системой управления и на совершенно иной основе. Силовой привод крепится непосредственно к шпинделю. Частота вращения регулируется бесступенчато, в широком диапазоне и без потери мощности. Шпиндель получил гидродинамические опоры с системой охлаждения, что позволило поднять рабочие частоты до 40000об/мин. Приводы подач лишились кинематических связей. Точность и независимость перемещения/позиционирования обеспечивается шаговыми двигателями под управлением микропроцессоров, причем конструкция винтовых пар обеспечивает смену направления движения без зазоров и люфтов.

Режущий инструмент не претерпел кардинальных изменений. Расширилось применение цельного твердосплавного инструмента и сборного инструмента с керамическими высокоточными вставками, которые допускают их замену без переналадки станка. Это стало возможным с получением высоких частот вращения, которые снизили удельную нагрузку на режущую кромку в единицу времени при знакопеременных нагрузках. В то же время высокие скорости резания потребовали создания конструкций оправок с высокими противовибрационными свойствами. На фрезерных станках с ЧПУ стало возможным выполнять внутреннюю и наружную резьбу практически любого диаметра с помощью ограниченного набора резьбовых фрез, т.к. в основном важен шаг резьбы, и получать высокое качество резьбовых поверхностей.

Большое количество позиций инструмента, которое можно задействовать в наладке, подтолкнуло к созданию столов сателлитов для станков с горизонтальным расположением шпинделя. Сателлит — это составная часть рабочего стола, но имеющая возможность поворота на 360° с шагом 90 °. Один из столов находится вне зоны резания, что позволяет производить межоперационный контроль. Это решение позволило обрабатывать максимальное количество сторон корпусных деталей с одной установки, т.е. избежать погрешностей базирования, что важно при изготовлении деталей с зависимыми размерами.

В процессе фрезерования есть существенные моменты, которые необходимо учитывать при обработке на станках с ЧПУ с целью получения сложного профиля.
1. Профиль сечения детали в плоскости вращения фрезы соответствуют профилю цилиндрической части фрезы.
2. Результатом обработки поверхности, которая описывается тремя координатами, будет линия.
3. Профиль поверхности детали, которая обработана торцевой частью фрезы с наклонной осью вращения, зависит от направления движения фрезы и угла наклона.
Программирование системы ЧПУ станка и до сих пор остается сложным делом, несмотря на то, что имеется возможность моделирования процессов резания и переноса данных из систем проектирования (AutoCAD и др.) в систему CNC. От технолога-программиста требуется понимание всех процессов, происходящих с деталью в ходе обработки — изменение жесткости, температурные расширения, удаление стружки и многое другое. Но результат стоит того. Фрезерные станки с ЧПУ позволяют выполнить вещи, которые невозможно получить другим способом и с высочайшей точностью. Это только вопрос времени и квалификации исполнителей, а станок может все.