Techniki Wytwarzania i Procesy Technologiczne
frezarka - milling machine

Frezarka konwencjonalna pionowa

Frezowanie po toczeniu można uznać za najbardziej powszechni stosowaną metodę obróbki skrawaniem. Frezarki nie mają tak długiej historii jak tokarki. Pierwsza frezarka została opracowana i zbudowana przez amerykańskiego inżyniera Eli Whitney’a w 1818 roku. Frezarka ta realizowała ruch obrotowy freza oraz samoczynny przesuw stołu roboczego. Ponad 40 lat później, w 1862 roku, inny Amerykanin Joseph Rogers Brown uruchomił produkcję frezarki uniwersalnej. W tym okresie powstają konstrukcje frezarek kopiarek, które umożliwiają obróbkę przedmiotu według zarysu przestrzennego wzorca. W 1953 roku, również w USA, wdrożona zostaje pierwsza frezarka automat sterowana elektronicznie. Jednak przez ponad 200 lat stosowano i nadal wykorzystuje się frezarki konwencjonalne. W artykule tym przedstawiam podstawy budowy frezarki konwencjonalnej poziomej i pionowej oraz możliwe do przeprowadzenia na nich obróbki.

Niezależnie czy mamy do czynienia z konwencjonalną frezarką poziomą czy pionową ruch główny przenoszony jest na narzędzie (frez), a dodatkowo realizowany jest ruch stołu roboczego w zależności od konstrukcji albo wzdłuż osi X albo X i Y. We frezarskich centrach obróbkowych CNC wyróżnia się konstrukcje zapewniające obróbkę 5-osiową. Oprócz ruchu w trzech osiach realizowane są obroty wokół dwóch osi (X i Y). W tym artykule skupiam się na frezarkach konwencjonalnych. Stół roboczy wykorzystywany jest do ustalania i mocowania oprzyrządowania technologicznego (uchwytów obróbkowych) oraz przedmiotów obrabianych.

Frezarka konwencjonalna pionowa – budowa

Na ilustracji 1 i 2 przedstawiono konwencjonalną pionową frezarkę wspornikową z przesuwną głowicą wrzeciona. Konwencjonalne frezarki wspornikowe wykorzystuje się do obróbki małych i średnich gabarytowo przedmiotów. Przedmioty obrabiane są ustalane i zamocowywane na stole roboczym. Stół roboczy posadowiony jest na przesuwnym w pionie wsporniku, określanym również mianem konsoli. W ramach frezarek wspornikowych wyróżnia się frezarki: lekkie, uproszczone, produkcyjne oraz uniwersalne.

frezarka konwencjonalna wspornikowa pionowa

Ilustracja 1. Budowa konwencjonalnej pionowej frezarki wspornikowej z ruchomą głowicą.

frezarka konwencjonalna wspornikowa pionowa

Ilustracja 2. Wspornik w konwencjonalnej pionowej frezarki wspornikowej z ruchomą głowicą.

Na ilustracji 3 pokazano wrzeciono w ruchomej głowicy. Głowica w przypadku prezentowanej frezarki jedynie przesuwa się wzdłuż osi Z (pionowo). W celu ustalenia i zamocowania narzędzia (frezu) we wrzecionie konieczne jest zastosowanie oprawki narzędziowej z określonym stożkiem zgodnym ze stożkiem we wrzecionie. W omawianej frezarce konwencjonalnej należy przyjąć, że końcówka wrzeciona została wykonana zgodnie z normą PN-76/M-55081. Wykorzystano stożek SK według DIN 69871 o zbieżności 7:24 z czołowymi zabierakami klockowymi. Zadaniem gniazda stożkowego jest centrowanie położenia mocowanych narzędzi. Zadaniem zabieraków klockowych jest przeniesienie momentu obrotowego.

frezarka konwencjonalna wspornikowa pionowa - wrzeciono

Ilustracja 3. Wrzeciono i jego końcówka.

Oprawki narzędziowe (chwyty stożkowe) wykorzystujące ten rodzaj stożka wyważane są na żądanie i dedykowane są do obróbki konwencjonalnej oraz szybkościowej (ang. HSM – High Speed Machining). Z reguły tego typu oprawki wykonuje się ze stali chromowo-manganowej, nawęglanej do głębokości warstwy przypowierzchniowej wynoszącej 0,7 mm. Powierzchnia stożka jest hartowana i precyzyjnie szlifowana. Twardość powierzchni stożka wynosi 58±2 HRC. Stożkowe oprawki narzędziowe są dociskane do gniazda stożkowego wrzeciona poprzez śrubę przechodzącą przez otwór wrzeciona. W konstrukcji wrzecion frezarek stosuje się również stożki innych rodzajów.

To w jaki sposób mocuje się narzędzie przedstawionej końcówce wrzeciona zależy od jego wielkości i konstrukcji. Frezy trzpieniowe i głowice frezowe o dużych średnicach osadza się bezpośrednio w końcówce wrzeciona. Natomiast frezy palcowe o mniejszych średnicach i o chwytach walcowych wymagają oprawek zaciskowych lub redukcyjnych. Do frezów nasadzanych wykorzystuje się trzpienie frezarskie.

Ustalenie i zamocowanie przedmiotu obrabianego

Przedmiot obrabiany jest ustalany i mocowany albo bezpośrednio na stole obróbkowym albo w oprzyrządowaniu technologicznym np. imadle maszynowym (ilustracja 4). W produkcji seryjnej stosuje się specjalne uchwyty obróbkowe (ilustracja 5). Na pokazanym na ilustracji 5 specjalnym uchwycie obróbkowym przedmiot ustalany jest na powierzchni oporowej jako głównej bazie stykowej, a ustalenie kątowe jest realizowane za pomocą kołka pełnego i ściętego. Mocowanie przedmiotu odbywa się za pomocą dwóch docisków. Narzędzie (frez) przed obróbką rowka ustawiany był z wykorzystaniem tzw. ustawiaka (na ilustracji 5 pod lewym dociskiem). Sam uchwyt był ustalany na stole roboczym i mocowany za pomocą śrub i rowków teowych. Po obu stronach korpusu uchwytu na ilustracji 5 widać wpusty dla śrub.

frezarka konwencjonalna wspornikowa pionowa - stół roboczy z rowkami teowymi

Ilustracja 4. Stół roboczy z rowkami teowymi wraz z ustalonym i zamocowanym imadłem maszynowym.

frezarka konwencjonalna wspornikowa pionowa - dedykowany uchwyt obróbkowy

Ilustracja 5. Przykład specjalnego uchwytu frezarskiego dla obróbki seryjnej.

Do mocowania przedmiotu obrabianego, a także oprzyrządowania technologicznego na stole obróbkowym z rowkami teowymi służą dociski o zróżnicowanych konstrukcjach. Na ilustracji 6 pokazano współczesną konstrukcję docisków stosowanych na obrabiarkach CNC.

frezarka CNC - dociski do stołu roboczego

Ilustracja 6. Przykład współczesnych docisków – tu zastosowanych na obrabiarce CNC.

Ustawienie narzędzie wymaga ręcznego ustawienia z wykorzystaniem zaiskrzenia, czyli uzyskania kontaktu narzędzia z określoną powierzchnią. W uchwytach dla produkcji seryjnej (ilustracja 5) stosowano tzw. ustawiaki, które znacząco pomagały w ustawieniu narzędzia do danego zabiegu frezowania. Dzięki ustawiakom uzyskiwano akceptowalną powtarzalność obróbki. W przypadku prezentowanej konwencjonalnej frezarki wspornikowej z ruchomą głowicą narzędzie zamocowane we wrzecionie ma ograniczony ruch w pionie. Ustawienie narzędzia względem przedmiotu obrabianego w osi Z, a w zasadzie ustawienie przedmiotu względem narzędzia w osi Z wymaga przesuwu pionowego wspornika oraz głowicy gdy jest ona ruchoma. Ustawienie szerokości skrawania zależy od ustalenia przedmiotu obrabianego na stole roboczym oraz od położenia stołu na kierunku poprzecznym (sanie poprzeczne – ilustracja 1). Konstrukcja prezentowanej frezarki zapewnia możliwość krótkiego posuwu poprzecznego i długi posuw wzdłużny.

Wartości prędkości obrotowych i posuwu roboczego

Podobnie jak w przypadku konwencjonalnej tokarki uniwersalnej  ustawienie prędkości obrotowej oraz posuwu roboczego polega na ustawieniu wartości spośród dostępnego przedziału wartości stałych – np. dla prędkości obrotowej napędu głównego mogą to być następujące wartości: 500; 640; 760; 955; 1200; 1500. Wartości w ramach stopniowej zmiany parametrów, w tym prędkości obrotowej napędu głównego były określone normą PN-62/M-03150 Obrabiarki do metali, która został ostatecznie wycofana w 2001 roku. Wartości w ramach wspomnianej normy pochodzą z ciągu Renarda R20. Wybór określonej wartości następuje poprzez ustawienie położenia kół zębatych w przekładniach. Mając do dyspozycji określone koła zębate i możliwe ich zestawienia w 2 lub 3 przekładniach możemy uzyskać stopniowaną zmianę wartości. Na ilustracji 7 pokazano tarcze wskazujące dobrane wartości prędkości obrotowej napędu głównego wraz z wybraną wartość posuwu roboczego (ilustracja 8) oraz dźwignię przełączenia kierunku obrotu.

frezarka konwencjonalna wspornikowa pionowa

Ilustracja 7. Tarcze wskazujące wartości prędkości obrotowej napędu głównego, posuwu roboczego oraz dźwignia kierunku obrotów (po lewej).

Na ilustracji 8 pokazano widok tarcz wskazujących wartości prędkości obrotowej napędu głównego i posuwu roboczego od strony operatora.

frezarka konwencjonalna wspornikowa pionowa

Ilustracja 8. Widok tarcz wskazujących wartości prędkości napędu głównego (po prawej – większa tarcza) oraz wybranej prędkości posuwu roboczego (z lewej – mniejsza tarcza)

Ustawianie wartości prędkości obrotowej napędu głównego oraz wartość posuwu roboczego ustawia się za pomocą elektrycznej skrzynki sterowniczej (ilustracja 9). Wartość prędkości posuwu roboczego jest dostępna w ramach zakresu określonych wartości [mm/min]. Nierzadko w przypadku frezowania podaje się wartość posuwu roboczego w mm/ząb, a więc konieczne jest dokonanie przeliczenia wartości na [mm/min] i wybranie najbliższej dostępnej wartości lecz niższej. O parametrach obróbkowych w obróbce frezowaniem pisałem w artykule Frezowanie – dobór parametrów obróbkowych.

frezarka konwencjonalna wspornikowa pionowa

Ilustracja 9. Elektryczna skrzynka sterownicza – zaznaczone przyciski odpowiedzialne za nastawianie prędkości obrotowej napędu głównego, wartości posuwu roboczego oraz włączania i wyłączania obrotów wrzeciona.

Dobór parametrów obróbkowych polega w pierwszym kroku na dobraniu prędkości skrawania dla danego materiału obrabianego i materiału ostrza. W przypadku frezarek i tokarek konwencjonalnych mamy do czynienia ze stopniowanymi wartościami prędkości obrotowych napędów głównych. Po wyznaczeniu prędkości skrawania z klasycznego wzoru na prędkość skrawania vc należy określić wartość prędkości obrotowej n napędu głównego. Następnie wartość prędkości obrotowej n porównuje się następnie z dostępnymi wartościami na danej obrabiarce. Przeważnie wyznaczona wartość nie jest zgodna z dostępnymi i wówczas należy dobrać wartość prędkości n z obrabiarki najbliższą do wyznaczonej n, lecz co do wartości niższą. To z kolei wymaga ponowne wyliczenia prędkości skrawania.

Stopniowane zakresy wartości prędkości obrotowych i posuwów roboczych w przypadku frezarek i tokarek konwencjonalnych są konsekwencją zdolności technologicznych sprzed dziesiątek lat kiedy sterowanie numeryczny było co najwyżej przewidywanym zagadnieniem na przyszłość. Współcześnie takie stopniowanie wartości w zestawieniu do bezstopniowego doboru wartości na obrabiarkach CNC można uznać za wadę. Tu trzeba jednak podkreślić, że w tokarkach i frezarkach konwencjonalnych wyłącznie rozwiązania wykorzystujące łańcuchy kinematyczne (przekładnie zębate) były w stanie zapewnić jakąkolwiek możliwość doboru prędkości obrotowej i posuwowej. W przedstawianej frezarce konwencjonalnej przełączanie pomiędzy poszczególnymi wartościami zarówno prędkości obrotowej napędu głównego jak i posuwu roboczego odbywa się z wykorzystaniem napędów elektrycznych zmieniających położenie kół zębatych w przekładniach. Operator naciskając przycisk (ilustracja 9) dokonuje pojedynczych przełączeń aż do uzyskania żądanej wartości danego parametru.

W przypadku tokarki konwencjonalnej opisanej w artykule Tokarka uniwersalna, budowa i możliwe obróbki – podstawy przełączanie pomiędzy wartościami poszczególnych parametrów następował poprzez ręczny obrót dźwigni co skutkowało mechanicznym przesunięciem kół zmianowych w przekładniach obrabiarki.

Na ilustracjach 10 i 11 objaśniono pozostałe wybrane elementy układu sterowniczego i ustawczego.

frezarka konwencjonalna wspornikowa pionowa - sterowanie głowicą

Ilustracja 10. Pokrętło regulacji położenia ruchomej głowicy omawianej frezarki w osi Z.

frezarka konwencjonalna wspornikowa pionowa - sterowanie wspornikiem i saniami poprzecznymi

Ilustracja 11. Pokrętło regulacji położenia wspornika w osi Z oraz pokrętło położenia sań poprzecznych stołu roboczego w osi Y.

Przykłady możliwych obróbek na frezarce pionowej wspornikowej

Na ilustracji 12 przedstawiono typowe obróbki jakie można zrealizować na przedstawianej konwencjonalnej frezarce wspornikowej pionowej:

  • frezowanie płaszczyzny z wykorzystaniem głowicy frezarskiej lub freza walcowo-czołowego (ilustracja 14) – ilustracja 12.a;
  • frezowanie rowka T-eowego za pomocą dedykowanego freza – ilustracja 12.b;
  • frezowanie rowka (także rowka wpustowego) przy użyciu freza palcowego walcowo-czołowego (ilustracja 13) – ilustracja 12.c;
  • frezowanie powierzchni bocznej przy użyciu freza palcowego walcowo-czołowego – ilustracja 12.d;
  • obróbka fazy pod określonym kątem za pomocą freza palcowego walcowo-czołowego – ilustracja 12.e.

Pokazana na ilustracji 12.e obróbka fazy pod określonym kątem możliwa jest w przypadku gdy konstrukcyjnie zapewniony jest obrót ruchomej głowicy frezarki wokół osi Y.

frezarka konwencjonalna wspornikowa pionowa - możliwe obróbki

Ilustracja 12. Możliwe obróbki do przeprowadzenia na pionowej konwencjonalnej frezarce wspornikowej: a.) frezowanie płaszczyzny z wykorzystaniem głowicy frezarskiej lub freza walcowo-czołowego; b.) frezowanie rowka T-eowego za pomocą dedykowanego freza; c.) frezowanie rowka przy użyciu freza palcowego walcowo-czołowego; d.) frezowanie powierzchni bocznej przy użyciu freza palcowego walcowo-czołowego; e.) obróbka fazy pod określonym kątem za pomocą freza palcowego walcowo-czołowego.

Konstrukcja i kinematyka przedstawionej konwencjonalnej frezarki pionowej wspornikowej nie pozwala na gwintowanie. Obróbka otworów jest możliwa lecz ograniczona odległościami końcówki wrzeciona od stołu roboczego. Technologiczne zdolności frezarek konwencjonalnych w odniesieniu do współczesnych frezarskich pionowych centrów obróbkowych CNC są niewielkie. Pomimo tego ciągu frezarki konwencjonalne w dalszym sprawdzają się w zakresie podstawowych obróbki powierzchni, przygotowywania półfabrykatów.

frezarka konwencjonalna wspornikowa pionowa - frez palcowy walcowo-czołowy-

Ilustracja 13. Przykład frezu palcowego walcowo-czołowego.

frezarka konwencjonalna wspornikowa pionowa - frez palcowy walcowo-czołowy głowica frezarska

Ilustracja 14. Od lewej oprawka narzędziowa; Po lewej przykład głowicy frezarskiej, a po prawej frez walcowo-czołowy ze stali szybkotnącej.

Modernizacja i rewitalizacja

Ciekawą możliwością jest modernizacja lub rewitalizacja obrabiarki konwencjonalnej. Dzięki temu możliwe jest nie tylko wydłużenie okresu użytkowania danej obrabiarki ale przede wszystkim polepszenie precyzji pozycjonowania i obróbki. Rewitalizacja obejmuje remont generalny, nierzadko modernizację prowadnic, wymianę napędów i nowy układ sterowania. W ramach rewitalizacji przemienia się obrabiarkę konwencjonalną w obrabiarkę NC. Za przykład modernizacji może posłużyć konwencjonalna frezarka pionowa wyposażona w liniały pomiarowe z cyfrowym odczytem (ilustracja 15 i 16).

frezarka konwencjonalna pionowa - modernizacja

Ilustracja 15. Zmodernizowana konwencjonalna frezarka wyposażona w liniały pomiarowe i cyfrowy odczyt położenia w poszczególnych osiach.

frezarka konwencjonalna pionowa - modernizacja

Ilustracja 16. Liniały pomiarowe dla osi Y i Z zamontowane na konwencjonalnej frezarce pionowej z ilustracji 12.

Źródła
  1. Paderewski K., Obrabiarki, WSiP 1993
  2. Erbel J. (red.), Encyklopedia technik wytwarzania stosowanych w przemyśle maszynowym, tom II. Obróbka skrawaniem. Montaż, OWPW 1993
  3. Notatki własne autora.
  4. Wsparcie ZAiOS Instytut Technik Wytwarzania na Wydziale Inżynierii Produkcji, Politechnika Warszawska
  5. Kunstetter S., Narzędzia skrawające do metali. Konstrukcja, WNT 1973

About author

morek

Rocznik 1973. W 1993 skończyłem Technikum Elektryczne Nr 1. W 1998 roku Wydział Mechaniczny Technologiczny i Automatyzacji (obecnie WIP) PW. 1997-2000 konstruktor narzędzi skrawających w F.W.P. VIS S.A. 2004. Doktorat z technologii kół zębatych. Technologie wytwarzania i procesy technologiczne to moja pasja.

Related Articles

Leave a reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

YouTube



Kategorie

Statistics

  • 31 987
  • 6 646 273
  • 451 298
  • 182
%d bloggers like this: