Фрезерные станки с ЧПУ являются «классическими» представителями оборудования для контактной механической обработки заготовок резанием. При помощи фрезерных станков с ЧПУ производится огромное количество различных изделий — из дерева, металла, пластика, камня, стекла. Благодаря специальным техническим решениям (высокая жёсткость станины, применение лёгких сплавов для подвижного инструментального портала, использование высококачественных подшипников скольжения и т. п.) фрезерные станки с ЧПУ могут поддерживать высокий темп обработки. А применение программного управления, с одной стороны обеспечивает высокое качество и точность обработки, а с другой стороны — делает фрезерный станок универсальным, легко переналаживаемым оборудованием.
Универсальность фрезерного оборудования предполагает не только наличие возможности обрабатывать заготовки из разного материала, но и обеспечивать лёгкую смену режущего инструмента, а также быстрое и надёжное крепление заготовки на рабочем столе. Последнее качество очень важно — как обеспечивающее сам принцип фрезерования.
Из теории известно, что остро заточенный клин фрезы, взаимодействуя с поверхностью заготовки, развивает достаточную силу для преодоления взаимного сцепления частиц материала. При этом пласты материала скалываются, и стружка отводятся спиральными канавками фрезы. Однако для образования сил резания нужно уравновесить крутящий момент, стремящийся «провернуть» саму заготовку. Для этого используются специальные крепёжные элементы разнообразной конструкции.
Механическое крепление заготовок
Современные фрезерные станки с ЧПУ имеют консольную конструкцию — заготовка располагается на рабочем столе, а сверху подводится фреза, закреплённая во вращающемся патроне шпинделя. Шпиндель крепиться на скользящем инструментальном портале, чем обеспечивается перемещение фрезы относительно поверхности заготовки. Горизонтальная плоскость рабочего стола служит опорой для заготовки. А её крепление может осуществляться струбцинами при помощи стандартных болтов, вставляемых в Т-образные пазы, которыми снабжён рабочий стол.
Недостатки подобной схемы очевидны. Во-первых, заготовка может иметь сложную геометрию и не всегда можно равномерно расположить струбцины «по краям» для надёжного закрепления. Во-вторых, механический прижим и значительное усилие затяжки струбцин (которое требуется для компенсации высокого крутящего момента фрезы — особенно для станков с мощным шпинделем) может повредить поверхность заготовки. Что совершенно недопустимо при обработке стеклянных или тонких композитных панелей.
И в-третьих, механическим креплением не всегда удаётся создать надёжный прижим. К примеру, при обработке тонких металлических пластин большой площади, при касании фрезой участка достаточно удалённого от крепёжной струбцины, заготовка может прогибаться, «играть», нарушая точность обработки. В таком случае для надёжного закрепления требуется как можно больше струбцин — буквально «в каждой точке». На практике осуществить это механическим способом практически невозможно.
Вакуумное крепление заготовок
Тем не менее, обеспечить равномерный прижим заготовки по всей площади, да ещё со значительным усилием, можно с помощью вакуума. Для этого требуется создать разницу давлений — если откачать воздух «из-под» заготовки, то атмосферное давление равномерно прижмёт заготовку к плоскости рабочего стола.
Техническим воплощением этого принципа является т. н. вакуумный стол. Он состоит из ячеистой основы с отверстиями для отвода воздуха. В промежутки между ячейками укладывается толстый изолирующий шнур. Конфигурация ячеек позволяет «охватить» шнуром заготовку по периметру — даже если её геометрия «хитрее» обычного прямоугольника. После размещения заготовки на ячеистом столе и её изоляции шнуром по краям, к отводящим отверстиям подключаются гибкие шланги. Вакуумный насос откачивает воздух из пространства между нижней плоскостью заготовки и ячеистым столом, в результате образующийся вакуум «притягивает» заготовку подобно присоскам — и прочно фиксирует её.
В ряде случаев (при обработке тонких стеклянных, композитных или металлических панелей большой площади) вакуумный стол является единственным средством надёжного крепления заготовок. Практически все производители либо серийно комплектуют вакуумным столом свои модели фрезерных станков с ЧПУ, либо допускают его установку в качестве дополнительного оборудования (как собственного производства, так и стороннего выпуска).
Однако применение вакуумного стола имеет некоторые — порой весьма существенные — ограничения.
Плюсы и минусы вакуумного прижима
Каждый, кто задумывался о приобретении вакуумного стола, задавался вопросом: стоит ли переплачивать за дорогую систему? Оправдает ли она затраты в условиях конкретного производства? Какие функции системы будут полезными, а какие окажутся «балластным довеском»?
Существует мнение, что вакуумный прижим целесообразно использовать лишь при коротком цикле обработки (раскрой заготовки, 2D-обработки и т. п.). А при «длинном» цикле якобы значительно возрастают издержки производства за счёт больших затрат на электричество при постоянном поддержании вакуума. Это, однако, не верно: лишь небольшой ряд вакуумных столов рассчитаны на постоянную работу насоса — большинство моделей «держат» вакуум благодаря специальным клапанам и ресиверу. При этом затраты электроэнергии на питание вакуумного стола очень небольшие (насос включается лишь на короткий момент при закреплении заготовки). А вот более лёгкий процесс смены и перезакрепления заготовок при использовании вакуумного стола действительно присутствует. Но это скорее плюс, а не минус!
По удобству и надёжности крепления плоских заготовок вакуумный стол практически не имеет альтернатив. Однако при работе с некоторыми «пористыми» материалами (плиты из МДФ, дерева, ДСП) очень трудно создать нужное разрежение и надёжно прижать заготовку, ведь воздух «просачивается» сквозь саму плиту! Кроме того, вакуумный стол может быть несовместим с рядом дополнительных систем (например, СОЖ). Поскольку обработка некоторых материалов (особенно металлов) без СОЖ является крайне низкопроизводительной, вакуумным прижимом приходится жертвовать.