Frezarka konwencjonalna pionowa
— 29 lipca 2021Frezowanie 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.
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.
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.
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.
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.
Na ilustracji 8 pokazano widok tarcz wskazujących wartości prędkości obrotowej napędu głównego i posuwu roboczego od strony operatora.
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.
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 numeryczne było co najwyżej przewidywaniem. 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.
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.
Na ilustracji 13 i 14 przedstawiono przykłady oprawek i narzędzi stosowanych w konwencjonalnych frezarkach.
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.
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).
Ilustracja 17 przedstawia głęboko zmodernizowaną przez firmę SIEMEND tokarkę konwencjonalną (nowe napędy, liniały pomiarowe, sterowanie CNC). W 2016 roku na stoisku CAMdivision podczas MTP MACH TOOL 2016 można było zapoznać się z tak zmodernizować tokarką.
Źródła
- Paderewski K., Obrabiarki, WSiP 1993
- Erbel J. (red.), Encyklopedia technik wytwarzania stosowanych w przemyśle maszynowym, tom II. Obróbka skrawaniem. Montaż, OWPW 1993
- Notatki własne autora.
- Wsparcie ZAiOS Instytut Technik Wytwarzania na Wydziale Inżynierii Produkcji, Politechnika Warszawska
- Kunstetter S., Narzędzia skrawające do metali. Konstrukcja, WNT 1973
Leave a reply
You must be logged in to post a comment.