Фрезерное оборудование с числовым программным управлением обладает высокой универсальностью и способно обрабатывать детали из различных материалов по сложным маршрутам — вплоть до создания рельефного узора или художественной 3D-резьбы. Такие возможности обеспечивает, во-первых, система ЧПУ, способная «воспринимать» в качестве задания на обработку программные файлы с математическими моделями изделий. А во-вторых, механика фрезерного станка, позволяющая фрезе перемещаться в нескольких плоскостях, реализуя сложный пространственный маршрут движения над заготовкой.
Как правило, универсальные фрезерные станки с ЧПУ имеют неподвижный плоский рабочий стол (на который укладывается заготовка) и подвижный инструментальный портал консольного типа. Портал способен перемещаться взад и вперёд относительно рабочего стола (условно выделяют данное движение как перемещение «вдоль оси Х»). Вдоль поперечной балки инструментального портала («по координате Y») двигается шпиндель. При помощи специального кулисного механизма шпиндель также совершает вертикальные перемещения («вдоль координаты Z»).
Таким образом, практически все модели фрезерных станков с ЧПУ имеют три степени свободы движения режущего инструмента. Более «продвинутые» конструкции фрезерных станков оснащены механизмом поворота шпинделя. Наклон шпинделя в вертикальной плоскости обеспечивает 4-х координатную обработку заготовок. А дополнительный наклонный рабочий стол и вовсе расширяет возможности станка до 5-ти координатной обработки изделий.
Условия качественной обработки
Как следует из теории, для механической обработки заготовки требуется воздействовать на её поверхности режущим инструментом. При этом острый клин фрезы преодолевает силы сцепления между молекулами и скалывает пласты материала. В результате после «прохода» инструмента образуется новая поверхность — в этом и заключается обработка заготовки. А «бывший» материал отводится специальными канавками фрезы в виде стружки.
Получается, что для срезания пластов материала режущий инструмент должен преодолеть энергию притяжения молекул. Соответствующие силы резания образуются в результате работы фрезерного станка, который преобразует электрическую энергию питания в крутящий момент шпинделя и режущее усилие вращающейся фрезы. Для уравновешивания крутящего момента заготовку обязательно следует закрепить, иначе фреза не будет срезать материал, а лишь «провернёт» заготовку на месте. Более того, чем жёстче крепление, чем точнее позиционируется заготовка, тем качественней итоговый результат обработки. И больше возможностей вести обработку на высоких скоростях.
Двусторонняя обработка заготовок
Несмотря на высокую универсальность фрезерных станков, «базовым» способом обработки является размещение и закрепление заготовок на плоском рабочем столе и движение фрезы над ними (сверху). Понятно, что при такой схеме за один установ может обрабатываться лишь «половина» заготовки. В то время как другая её часть плотно прижата к поверхности рабочего стола. Только 5-ти координатные фрезерные станки или универсальные фрезерно-токарные центры с ЧПУ способны поворачивать заготовку вместе с рабочим столом и подставлять режущему инструменту практически любой «бок» заготовки.
Однако и для более простых моделей 3-х координатных станков с ЧПУ очень часты ситуации, когда необходимо обработать заготовку с обеих сторон. Естественно, для этого приходится вручную перезакреплять её после очередного этапа фрезерования. В этом и кроется главная проблема.
Во-первых, после обработки одной из сторон заготовки её поверхность приобретает известное качество и чистоту. Не всегда возможно «чистой» стороной вновь прижимать заготовку к рабочему столу и прочно крепить её (поверхность может получить повреждения, да и в любом случае её шероховатость повысится).
Во-вторых, сама фактура обработанной поверхности (к примеру, рельефная резьба или сферическая форма) может не позволять надёжно закрепить «полуизделие» на плоском рабочем столе.
Существующие способы «двустороннего» крепления
Самым распространённым примером надёжного крепления заготовок без непосредственного прижатия их к плоскости рабочего стола (но с возможностью поворота) является делительная головка. Существуют разные типы конструкций делительных головок, однако их суть сводится к наличию патрона, позволяющего зажать заготовку так, чтобы её горизонтальная ось оказалась параллельна плоскости рабочего стола. В этом случае фреза может подойти к заготовке сверху, а после завершение обработки с одной стороны, делительная головка поворачивается и подставляет другую сторону заготовки под режущий инструмент.
Аналогом делительной головки для фрезерных станков с ЧПУ является т. н. «поворотное устройство». Это механизированный зажимной патрон с поджимным центром («задней бабкой»), который позволяет фиксировать цилиндрические заготовки. Патрон подключается к системе ЧПУ, которая автоматически преобразует одну из координат движения фрезы в поворот заготовки в патроне.
Однако подобный механизм допускает крепление лишь цилиндрических и сферических заготовок, но не плоских или прямоугольных. К тому же установка поворотного устройства требует наличие запаса пространства под фрезой (определённого хода шпинделя по высоте — вдоль координаты Z), что также бывает доступно далеко не всегда.
Специализированные приспособления
Более чётким способом крепления заготовки при её двусторонней обработке является разработка специального приспособления. Одна его сторона (опирающаяся на рабочий стол фрезерного станка) должна быть строго плоской, с точно выверенной геометрией для исключения погрешности базирования. А другая сторона приспособления должна иметь «ответное» углубление, повторяющее форму обработанной части заготовки (или имеющая перемычки-«пастели» для опоры обработанной стороной заготовки). Такое приспособление позволяет легко переворачивать и крепить заготовку и удобно обрабатывать её с обеих сторон.
Достоинством специального приспособления является точность базирования. А недостатком — трудоёмкость изготовления. В большинстве случаев разработка специального приспособления оправдано лишь для фрезеровки массовой партии «двусторонних» заготовок.