Копировально-Фрезерные Станки

Копировально фрезерные станки служат для обработки деталей с криволинейными контурами или сложными объемными фасонными поверхностями. Они имеют задающее и копировальное устройства. Задающее устройство (копир, шаблон или эталонная деталь) связано через копировальное устройство с режущим инструментом. Последний повторяет все движения копировального устройства и воспроизводит на поверхности заготовки форму и размеры поверхности, которую имеет задающее устройство.

Существуют две принципиальные схемы работы копировально-фрезерных станков: без следящей системы и со следящей системой.

В первом случае согласование взаимного положения щупа с режущим инструментом осуществляется с помощью жесткой связи между ними, а во втором - через механизм, сравнивающий заданную программу с выполняемой. Если имеется расхождение, то механизм подает сигнал исполнительному устройству для корректирования траектории режущего инструмента.

На рис. 1 показана схема обработки криволинейного контура на копировально-фрезерном станке без следящей системы. На столе станка 1 закреплены заготовка 2 и копир 6, а в шпинделях копировальной головки 4 - фреза 3 и копировальный палец 5. Если перемещать стол в продольном и поперечном направлениях так, чтобы копировальный палец постоянно соприкасался с контуром копира, то фреза на заготовке воспроизведет профиль, точно соответствующий профилю копира.

Рис. 1. Принцип работы копировально-фрезерных станков без следящей системы

Копировально-фрезерные станки без следящей системы просты по устройству и надежны, в работе, однако из-за быстрого износа копира, щупа в результате больших давлений, действующих на них в момент фрезерования, точность обработки невелика и, как правило, находится в пределах десятых долей миллиметра. По этим причинам копировально-фрезерные станки без следящей системы не нашли широкого применения при фрезеровании криволинейных контуров.

Копировально-фрезерные станки со следящей системой имеют следящий элемент в виде щупа, который, передвигаясь по копиру, подает команду исполнительным органам для изменения траектории перемещения режущего инструмента. Копировальный шпиндель крепится шарнирно в копировальной головке. В такой шпиндель устанавливается щуп, который во время работы станка скользит по поверхности копира, непрерывно следя за изменением его контура. На криволинейных участках копира щуп отклоняется от нейтрального положения и с помощью электрических или гидравлических устройств подает сигналы исполнительным органам станка на выключение и необходимые перемещения частей станка. В результате этого фреза, закрепленная в шпиндельной бабке, воспроизводит на заготовке криволинейный контур, соответствующий профилю копира. Копировальное устройство при помощи щупа ощупывает копир и измеряет рассогласование между положением щупа и режущего инструмента, преобразует его в командный сигнал для управления механизмами соответствующих подач. Рассматриваемые станки имеют усилительное устройство, которое предназначено для усиления и преобразования командного сигнала, получаемого от щупа.

По типу копировального устройства следящие системы копировально-фрезерных станков разделяются на электрические, гидравлические, фотоэлектрические, электрогидравлические и пневматические.

Наиболее широкое распространение получили станки с электрическими следящими системами, которые могут иметь две системы управления: прерывистую с электроконтактным датчиком и электромагнитными муфтами в приводе подач; непрерывную с индуктивным датчиком и приводом подач от регулируемых двигателей постоянного тока.

Рассмотрим принцип работы копировально-фрезерных станков с электрическими следящими системами. На столе 12 станка с электроконтактным датчиком (рис. 2) закреплены обрабатываемая заготовка 13 и копир 9. К шпиндельной головке 14 при помощи кронштейна 11 прикреплена копировальная головка 2 с электрическим датчиком 6. Датчик имеет контакты 5 и 7 с усилительным устройством 10 для выключения перемещений стола в продольном и вертикальном направлениях от электромагнитных муфт М1, M2 и МЗ.

Рис. 2. Схема копировально-фрезерного станка с электроконтактным датчиком

Заготовку и копир устанавливают на столе так, чтобы они оказались соответственно под фрезой и щупом 8. Когда щуп еще не касается копира, то под действием пружины 4 он опущен вниз, а рычаг 3 электроконтактного датчика 6 повернут, контакт 5 замкнут. При включении электродвигателя 11 коробки подач от электромагнитной муфты М2 стол поднимается вверх и после соприкосновения щупа с копиром растягивает пружину 4, поворачивает рычаг 3 и размыкает контакт 5. После этого выключается вертикальная подача стола от электромагнитной муфты МЗ и автоматически включается электромагнитная муфта М1 продольной подачи стола. Стол получает перемещение в продольном направлении до тех пор, пока, например, при его движении от восходящего участия копира щуп не поднимется и не замкнется контакт 7. При замыкании этого контакта прекращается продольная подача стола, включается электромагнитная муфта МЗ и стол получает вертикальное перемещение вниз до тех пор, пока произойдет размыкание контакта. Затем снова включается продольная подача и т. д.

Следовательно, криволинейный контур образуется в результате попеременного периодического включения вертикальной и продольной подач стола.

После каждого прохода необходимо сместить стол с заготовкой в поперечном направлении на величину строчной подачи в пределах до 3 мм. Вследствие того что перемещение стола происходит неравномерно (прерывисто), профиль, образованный на заготовке, имеет ступенчатую форму. Высота каждой ступени зависит от частоты переключения подач и скорости срабатывания электромагнитных муфт. Поэтому криволинейные поверхности после их обработки на копировально-фрезерных станках подвергаются дополнительной обработке абразивными или слесарными инструментами.

В настоящее время на базе универсально-фрезерных станков изготавливаются копировально-фрезерные станки с электроконтактными датчиками. Они широко используются в инструментальных цехах машиностроительных заводов при изготовлении штампов, пресс-форм и других изделий, имеющих криволинейный контур.

В станках с непрерывной системой управления применяют индуктивные датчики, принцип действия которых заключается в изменении индуктивного сопротивления катушки при изменении воздушного зазора между сердечником и якорем в результате отклонения щупа.

В копировально-фрезерном станке модели 6441Б с индуктивным датчиком (рис. 3) по направляющим станины 1 в продольном направлении может перемещаться стол 2 с рабочей поверхностью 630 x 1200 мм. На столе закреплен угольник 3, на верхней части которого имеется копир 5, а на нижней - обрабатываемая заготовка 4. К станине прикреплена стойка 7, по направляющим которой перемещается траверса 9 со шпиндельной бабкой 8 и шпинделем 10, ось которого перпендикулярна поверхности угольника. Копировальная головка 6 со щупом при помощи кронштейна закреплена на шпиндельной бабке. Перемещением копировального шпинделя в пазах кронштейна можно регулировать расстояние между копировальным и фрезерным шпинделями в вертикальной плоскости, а в осевом направлении - за счет перемещения фрезерного шпинделя вдоль его оси.

Рис. 3. Общий вид копировально-фрезерного станка модели 6441Б с индуктивным датчиком

Следящий привод копировальной головки станка 6441Б с индуктивным датчиком (рис. 4) имеет копировальную головку. Она состоит из двух индуктивных катушек 3 и 4, якоря 2, закрепленного на плоской пружине 1 и размещенного между катушками. Якорь связан со щупом 5, который обходит копир 6. В результате усилий, действующих на щуп со стороны копира, происходит отклонение копировального шпинделя и якоря 2. Между сердечниками катушек и якорем изменяется величина воздушного зазора α и b, а это приводит к изменению величины индуктивного сопротивления катушек, а также индуктивного тока, питающего двигатели постоянного тока подач, увеличивая или уменьшая их частоту вращения. В результате этого величина следящей подачи плавно изменяется, фреза меняет свое положение относительно поверхности обработки, точно воспроизводя движение щупа.

Обработка объемных поверхностей производится горизонтальными или вертикальными строчками. Для этой цели на станке предусмотрена периодическая подача стола или шпиндельной бабки в плоскости, перпендикулярной к оси шпинделя.

Рис. 4. Схема работы следящего привода копировального станка 6441Б

При обработке горизонтальными строчками столу сообщается непрерывная подача. После прохождения щупом пути, равного длине копира, когда фреза обрабатывает одну строчку, шпиндельная бабка с фрезой и щупом автоматически перемещаются в вертикальном направлении на ширину строчки. Затем столу автоматически сообщается подача в обратном направлении для обработки второй строчки и так далее до тех пор, пока щуп не обойдет всю поверхность копира, а фреза не воспроизведет по строчкам весь рельеф копира на поверхности детали.

При обработке вертикальными строчками (рис. 5) непрерывная вертикальная подача сообщается шпиндельной бабке, фрезерование строчек происходит в вертикальном направлении. По окончании каждого прохода периодическая подача на ширину строчки сообщается столу. Вертикальное перемещение шпиндельной бабки принято называть следящей подачей, ее поперечное перемещение - задающей подачей, а перемещение стола на величину строчки - периодической подачей. При фрезеровании горизонтальными строчками задающая подача осуществляется за счет продольного перемещения стола, следящая - за счет поперечного перемещения шпиндельной бабки, а периодическая - перемещением шпиндельной бабки по направляющим стойки на величину строчки. Копировально-фрезерные станки со следящей системой находят самое широкое применение в инструментальных цехах при изготовлении деталей с объемными фасонными поверхностями (штампов, копиров, плоских кулачков и т. д.).

Такие станки имеют ряд качественных преимуществ: более высокую точность обработки (благодаря автоматической системе переключения передач) и производительность; отсутствие жесткой связи между копиром и щупом, малое давление щупа на копир (копиры можно изготавливать из мягких недорогих материалов, включая дерево или гипс), что обеспечивает пониженную шероховатость обработанных поверхностей; управление станком автоматизировано, что облегчает труд фрезеровщика.

Рис. 5. Последовательность фрезерования объемной фасонной поверхности вертикальными строчками

Принципиальная схема работы гидравлической следящей системы копировально-фрезерного станка приведена на рис. 6. Следящий привод имеет золотник 7, который управляет гидравлическим цилиндром 2 вертикальной подачи стола станка. Золотник, в свою очередь, связан рычагом со щупом и повторяет движения щупа при обходе им копира 5.

Станок с гидравлической следящей системой работает следующим образом. На столе станка 6 закреплены заготовка 4 и копир 5. Стол получает продольную подачу с постоянной скоростью от гидравлического цилиндра, не показанного на рис. 6; эта подача является задающей. Следящая подача осуществляется от перемещения поршня З в цилиндре 2, связанного с консолью стола.

От насоса 1, приводимого в действие электродвигателем, не показанным на схеме, масло подается одновременно в цилиндр 2, т. е. исполнительному органу системы, и следящему золотнику 7 командному чувствительному элементу копировальной головки. Пружиной 8 следящий золотник прижимается вверх, прикрывая кольцевую щель А между золотником и золотниковой втулкой.

В момент соприкосновения щупа с копиром золотник перемещается и прикрывает кольцевую щель А, через которую масло получает выход в резервуар. При увеличении высоты щели все масло, подаваемое насосом, будет сливаться в резервуар. Наступит состояние равновесия, при котором следящая подача будет равна нулю. При перемещении щупа по подымающемуся контуру копира будет изменяться высота щели А, что вызывает соответствующее перемещение стола, так как некоторая часть масла ввиду частичного перекрытия кольцевой щели А и сокращения количества масла, сливаемого в резервуар, будет подаваться от насоса 1 непосредственно в цилиндр 2. По мере уменьшения кольцевой щели А количество масла, поступающего в цилиндр следящей подачи, будет увеличиваться и тем самым будет увеличиваться величина подачи и, наоборот, при увеличении щели А следящая подача будет уменьшаться.

Рис. 6. Схема работы следящей системы гидрокопировального станка

Гидравлический цилиндр, управляемый золотником, заставляет стол совершать движения, соответствующие контуру копира.

Гидрокопировально-фрезерные станки, работающие при постоянной задающей подаче и меняющейся следящей, являются простейшими и применяются для обработки незамкнутых профилей простой формы. Их называют однокоординатными копировально-фрезерными станками. Гидрокопировально-фрезерные станки, работающие при меняющихся задающей и следящей подачах, позволяют обрабатывать плоские детали сложных контуров, в том числе замкнутых. Станки для обработки таких деталей называют контурными копировально-фрезерными или двухкоординатными копировально-фрезерными станками.

На рис. 7, а приведена схема двухкоординатного фрезерования замкнутого контура, а на рис. 7, б - общий вид контурного копировально-фрезерного станка мод. 642К.

Рис. 7. Контурный копировально-фрезерный станок с гидравлической следящей системой мод. 642К Львовского завода фрезерных станков: а - примеры работы; б - общий вид станка; 1 - ручное вертикальное перемещение шпиндельной бабки; 2 - фрезерный шпиндель; 3 - рабочий стол; 4 - пульт управления; 5 - копировальная головка со щупом; 6 - стол копира

Для обработки сложных поверхностей, как, например, гребные винты, лопатки газовых и паровых турбин, детали обшивки крыла современных скоростных самолетов и т. д. применяют трехкоординатные копировально-фрезерные станки с гидравлической следящей системой. Система трехкоординатного управления состоит из двух независимых следящих гидравлических устройств - двухкоординатного для обхода по контуру и однокоординатного для периодической подачи на строчку. Возможно Вам также будет интересна информация на тему - обработка фасонных поверхностей на станке по копиру.

На рис. 8, а показано фрезерование турбинных лопаток на трехшпиндельном гидрокопировальном станке, а на рис. 8, б - схема обработки.

Рис. 8. Фрезерование турбинных лопаток на трехшпиндельном гидрокопировальном станке: a - общий вид; б - схема обработки

Копировально-фрезерные станки предназначены для обработки разнообразных плоских профилей (изготовление кулачков, шаблонов, матриц и т. д.) и пространственно-сложных поверхностей (объемное фрезерование). По числу шпинделей станки делят на одношпиндельные и многошпиндельные, а по принципу действия - на станки прямого и станки следящего действия. В копировальных станках прямого действия всякое изменение формы - задающего устройства (шаблона или копира) производит непосредственное воздействие на копировальный ролик или палец, связанный жестко с фрезой. В станках следящего действия посредством копировального ролика или пальца воспринимается всякое изменение формы задающего копира и передается фрезе через усилительное устройство. Фрезерование производят при помощи ощупывания модели копировальным пальцем двумя способами: способом горизонтальных строчек и способом вертикальных строчек.

При первом способе (рис. 9, а) стол станка совершает автоматическое задающее горизонтальное перемещение, а фрезерная головка - непрерывное следящее продольное и периодическое вертикальное перемещение на величину строки. При втором способе (рис. 9, б) фрезерная головка совершает задающее вертикальное и следящее продольное перемещения, а стол - периодическое горизонтальное перемещение на величину s. Палец следящего устройства касается модели и автоматически дает команду (импульсы) приводам для одновременного перемещения фрезы по обрабатываемой детали и пальца по рельефу копируемой модели, поскольку и следящий палец и фреза смонтированы на общем корпусе фрезерной головки.

Рис. 9. Способы ощупывания модели на копировально-фрезерном станке

Схема работы следящего пальца показана на рис. 10. Палец 1 касается поверхности (рельефа) модели А под определенным давлением; в случае изменения этого давления палец может иметь осевое перемещение, которое через шарик передается его тыльной частью втулке 2, а последняя через пружину касается острия регулировочного винта. Таким образом, осевые перемещения пальца управляются в зависимости от давления на палец. Указанные осевые перемещения через подвешенный на пружине 4 груз 3, соединенный со втулкой 2, передаются к сердечнику 5 трансформатора. Сердечник подвешен на конце указанных грузов, его перемещение в магнитном поле трансформатора изменяет электромагнитные импульсы, которые направляются в усилительные устройства, а затем поступают в цепи управления электродвигателями подач.

Рис. 10. Схема работы следящего пальца копировально-фрезерного станка

На рис. 11 представлен горизонтальный копировально-фрезерный полуавтомат, предназначенный для объемного фрезерования деталей по моделям, выполненным в натуральную величину. Кинематика станка обеспечивает следующие движения детали и фрезы относительно друг друга: главное движение - вращение фрезы 5, вертикальное и поперечное перемещения шпиндельного блока 4 по стойке 2, продольное перемещение стола 6 по станине 1 совместно с кронштейном 3, на котором установлена обрабатываемая деталь и модель.

Рис. 11. Электрокопировальный фрезерный полуавтомат

Цепь главного вращательного движения фрезы (рис. 12) начинается от электродвигателя 32 через ременную передачу, зубчатые колеса 1-2 или 3-4 или 5-6, колеса 7-9-8 или 7-9-10 и заканчивается шпинделем. Поскольку электродвигатель двухскоростной, то на шпинделе станка можно получить 12 различных скоростей.

Рис. 12. Кинематическая схема электрокопировального фрезерного полуавтомата 6Б443Г

Цепь вертикального перемещения шпиндельного блока 4 (см. рис. 11) берет начало от электродвигателя постоянного тока (рис. 12), затем через зубчатые передачи 17-18, 19-20, 22-21, и заканчивается винтом 29. Поперечное перемещение шпиндельного блока осуществляется от электродвигателя постоянного тока 35 и через зубчатые колеса 11-12, 13-14, 15-16 передается на винт 30.

Продольное перемещение стола 6 (см. рис. 11) осуществляется от самостоятельного электродвигателя постоянного тока 34 (рис. 12) и через зубчатые колеса 23-24, 25-26, 27-28 передается на винт 31.

Сравнительно небольшое количество моделей фрезерных станков вполне удовлетворяет промышленность. Консольно-горизонтально-фрезерные, универсальные и вертикально-фрезерные станки имеют унифицированные столы размером 160х320, 200х800, 250х1000, 320х1250 и 400х1600 мм. Одностоечные станки строят с размером стола от 500х1250 до 1600х5000 мм, а в двухстоечном исполнении - от 400х1250 до 2500х8000 мм. Копировально-фрезерные станки выпускают в ограниченном количестве, с размером стола 200х320, 320х1250 и 630х1250 мм.

Детали сложной конфигурации, например штампы, пресс-формы, лопатки турбин, в крупносерийном и массовом производстве обрабатывают на копировально-фрезерных станках. Различают контурное и объемное копировальное фрезерование.

При контурном фрезеровании (рис. 13, а) фрезе и обрабатываемой заготовке необходимо сообщить одновременно движение в двух направлениях: X (продольном) и Y (поперечном) по заданной программе (кривой копира). Для обеспечения точного обвода контура результирующая скорость перемещения щупа Ѕрез относительно копира и режущего инструмента по заготовке детали (так называемая подача копирования) всегда должна быть направлена по касательной к контуру в данной точке. Ее составляющие - задающая (продольная) подача Sx и следящая (поперечная) подача Sy должны быть пропорциональны соответственно синусу и косинусу угла наклона касательной к кривой в данной точке, т. е.: Sx = Ѕрез sin α; Sy =  Ѕрез cos α.

Рис. 13. Схема копировального фрезерования пространственно-сложных фасонных поверхностей

Выполнение этого условия обеспечивается специальным устройством - синусным распределителем. В простейшем варианте заданный профиль можно получить радиальным смещением инструмента при заданном угловом положении заготовки. Пространственно-сложные фасонные поверхности при объемном копировании (рис. 13, б) обрабатываются отдельными проходами используя концевые фрезы с закругленными торцовыми зубьями. Во время каждого такого прохода фреза перемещается вдоль профиля обрабатываемой заготовки в данном сечении в направлении оси X (задающая подача Sx). В процессе продольного перемещения фреза должна изменять свое положение в направлении оси Y (следящая подача Sy). Для перехода к обработке соседнего сечения необходимо периодически смещать фрезы в направлении оси Z. Такое перемещение носит название строчечной подачи Sz.

Копировально-фрезерные станки имеют задающее устройство (копир, шаблон, эталонная деталь, чертеж, модель и др.), связанное через копировальное устройство (щуп, копировальный палец, копировальный ролик, фотоэлемент) с исполнительным органом, который повторяет движение копировального устройства для воспроизведения режущим инструментом формы задающего устройства.

Существуют две схемы работы копировально-фрезерных станков: без следящей системы и с ней. В первой согласование взаимного положения щупа (копировального пальца) с копиром осуществляется жесткой связью между задающим и исполнительным устройствами.

В станках с жесткой связью (рис. 14) копир 1 контактирует с втулкой 2, связанной со шпиндельной головкой.

Рис. 14. Схема фрезерно-копировального станка с жестким копировальным устройством

Характер радиального смещения стола 6 (который находится под действием груза 7), а следовательно, и заготовки 4 относительно фрезы 3 определяется профилем копира. Вращение заготовки и копира осуществляется от привода 5.

Чтобы обеспечить надежный прижим втулки 2 к копиру и резание без вибраций, груз 7 должен иметь достаточно большую массу и поджимать втулку к копиру с силой, в 2-3 раза превышающей силы резания. Это обстоятельство обусловливает быстрый износ копира и потерю точности обработки, что является основным недостатком этой схемы.

Вторая схема работы копировально-фрезерных станков предполагает наличие следящего механизма в системе исполнения команд. В задающем устройстве образуются управляющие сигналы, которые поступают в следящий механизм. Здесь заданная программа сравнивается с выполненной, и в случае расхождения механизм подает сигнал исполнительному устройству для корректировки траектории перемещения режущего инструмента. В станках со следящей системой предусмотрены также усилительные устройства, которых нет в станках с жесткой связью. В отличие от механических копировальных устройств, где сила резания воспринимается копиром (шаблоном), в следящих системах следящий орган (щуп), передвигаясь по копиру, только подает команду исполнительным органам, которые осуществляют соответствующие перемещения рабочих органов станка. Поэтому следящие копировальные устройства работают с очень малым давлением на копиры (шаблоны или модели), что позволяет производить обработку крутых и точных переходов профиля фасонной поверхности. Малые давления следящего органа (щупа) на копир обеспечивают также высокую точность и шероховатость обработанной поверхности.