Фрезерные станки: устройство, принципы работы и виды операций

Фрезерные станки — одни из самых распространённых металлорежущих станков в современном производстве. Их можно встретить на крупных сборочных линиях, в мелких инструментальных цехах и практически во всех отраслях: от мини-фрезеров в научных лабораториях до автомобилестроения.

Фрезерные станки популярны у инженеров и технологиков, так как позволяют изготавливать детали сложной формы, недоступные для обычных 3D-принтеров. В этом обзоре мы рассмотрим назначение, принцип работы, основные узлы и критерии выбора фрезерного станка.

Что такое фрезерный станок?

Фрезерный станок — это станок с вращающимся многозубчатым режущим инструментом (фрезой). Заготовка закреплена в тисках на столе, который движется в трёх взаимно перпендикулярных направлениях. В отличие от токарного станка, где вращается заготовка, здесь вращается инструмент.

Фрезерные станки обрабатывают твёрдые материалы: металлы, пластик, дерево. Применяются для обработки плоских и сложных поверхностей. Используют разнообразные режущие инструменты: вращающиеся лезвия, сверла, абразивы.

Лучшие модели отличаются качественным чугунным литьём, переменной скоростью шпинделя, механическими подачами и движением инструмента по осям X и Y. Применяются в деревообработке и металлообработке.

Типичная комплектация: электродвигатель, система СОЖ, цифровые индикаторы, переменные скорости шпинделя, механические подачи стола. Выполняют сверление, растачивание, нарезание зубьев шестерён, пазов и полостей.

Заготовка жёстко закреплена на столе. Режущий инструмент движется по вертикали или горизонтали, что определяет два основных типа: вертикально-фрезерные и горизонтально-фрезерные станки.

Вертикально-фрезерные станки используют вращающийся резец, напоминающий бур. Шпиндель с патроном установлен на консоли над столом и опускается в заготовку. Обычно применяются концевые фрезы. Скорость шпинделя: 500–50 000 об/мин.

Горизонтально-фрезерные станки работают аналогично, но имеют вращающийся стол и фрезу с тремя-четырьмя зубьями. Скорость резания до 20 000 об/мин.

Какой фрезерный станок вам нужен?

Существуют комбинированные станки, сочетающие фрезерование с другими операциями. Мини-фрезеры — не единственный вариант.

• Фрезерно-сверлильные станки напоминают вертикальные фрезеры или сверлильные станки.
• Шлифовальные станки заимствуют элементы горизонтальных фрезеров и используют пошаговый процесс для создания плоских поверхностей.
• Консольно-вертикальные станки (генивильные) — компактные, часто настольные, подходят для домашней мастерской и производства.
• Станки с ЧПУ — топовое решение для высокоточного серийного производства.

Основные узлы фрезерного станка

• Колонна и база
• Консоль (колено)
• Садло и поворотный стол
• Механизм механической подачи
• Стол
• Шпиндель
• Консольная балка (выступ)
• Опора втулки (арбор)
• Рама (rame)

1. Колонна и база

Колонна — вертикальная опора на базе. Поддерживает консоль, стол, содержит приводные шестерни и иногда мотор. Внутри — масляный бак и насос для смазки направляющих.

2. Консоль (колено)

Первый подвижный узел. Несет седло и стол. Внутри — шестеренки. Закреплена на колонне шплинтами. Вертикальное перемещение осуществляется подъёмным винтом (ручным или механическим).

3. Садло и поворотный стол

Садло на консоли поддерживает стол. Скользит по горизонтальным «ласточкиным хвостам» консоли. Поворотный стол на седле вращается в горизонтальной плоскости в обе стороны.

4. Механизм механической подачи

Находится в консоли. Управляет продольной, поперечной и вертикальной подачами. Скорость подачи выбирается ручкой на шкале. Есть ручка быстрой подачи для ускорения при наладке.

5. Стол

Прямоугольная чугунная литья на седле. Для закрепления заготовок и приспособлений. Имеет Т-образные пазы. Движение ручное (коленчатый вал) или механическое.

6. Шпиндель

Расположен между столом и консолью, служит промежуточным звеном. Движется поперечно по направляющим консоли, перпендикулярно лицу колонны. Основная функция — горизонтальное перемещение заготовки. Из чугуна.

7. Консольная балка / Выступ

Нависает над колонной, свободный конец держит втулку. Одноцельная литья, скользит по верху колонны. На горизонтально-фрезерных станках. Чугун.

8. Опора втулки

Чугунная литья с подшипником, поддерживает свободный конец втулки, выравнивает его с шпинделем, предотвращает прогиб при резании. Два типа: с малым (до 1 дюйма) и большим (до 2 3/4 дюйма) диаметром отверстия подшипника.

9. Рама (rame)

На вертикально-фрезерных станках выполняет роль консольной балки. Один конец на колонне, другой — фрезерная головка.

Наладка фрезерной операции

Успех зависит от грамотной наладки: чистота заготовки, стола, конуса шпинделя, втулки или хвостовика резьба; выбор фрезы; надёжное закрепление резеца.

• Перед установкой убедитесь в отсутствии стружки, задиров, заусенцев на заготовке, столе, конусе шпинделя, втулке.
• Не выбирайте фрезу большего диаметра, чем необходимо.
• Проверьте работоспособность станка, смазку, лёгкость ходов во всех направлениях.
• Учтите направление вращения. Многие фрезы можно переворачивать на втулке — важно знать, по или против часовой стрелки вращается шпиндель.
• Подавайте заготовку против вращения фрезы (противоположное фрезерование).
• Не меняйте подачи и скорости во время работы.
• При закреплении тисками следите за жёсткостью — заготовка не должна вибрировать.
• Обильно используйте рекомендованную режущую жидкость.
• Проявляйте здравый смысл, учитесь на ошибках.
• Устанавливайте заготовку максимально близко к шпинделю.

Основные виды фрезерных операций

Фрезерный станок режет металл, подавая заготовку к вращающейся многозубчатой фрезе. Высокая скорость и множественные режущие кромки обеспечивают высокую производительность. Можно устанавливать одну или несколько фрез одновременно.

1. Лицевое фрезерование

Получение плоской поверхности на торце заготовки. Ось фрезы перпендикулярна обрабатываемой поверхности. Используется лицевая фреза на втулке. Простейшая операция. Глубина резания регулируется поперечным винтом стола.

2. Периферийное фрезерование

Получение вертикальной плоской поверхности на боковой стороне заготовки. Используется дисковая фреза. Глубина резания — вертикальным винтом стола.

3. Плоское (прямое) фрезерование

Ось фрезы параллельна обрабатываемой поверхности. Также называется поверхностным или пластинчатым фрезерованием. Применяется пластинчатая фреза. Самая частая операция. Глубина — вертикальным винтом, затем выбирают скорость и подачу.

4. Фрезерование параллельных плоскостей (стрэддл)

Две дисковые фрезы на одной втулке одновременно обрабатывают две противоположные стороны заготовки. Расстояние между фрезами регулируется втулками-распорками. Применяется для квадратных и шестигранных деталей.

5. Угловое фрезерование

Обработка плоскостей, не параллельных и не перпендикулярных оси фрезы. Используется угловая фреза (одно- или двухсторонняя). Пример — изготовление V-блоков.

6. Групповое фрезерование

Две и более фрезы на втулке одновременно выполняют разные операции. Экономит время, применяется в серийном производстве. Скорость расчитывается по фрезе с наибольшим диаметром.

7. Фигурное фрезерование

Обработка сложных контуров: кривые, прямые линии, комбинации. Применяются выпуклые, вогнутые, скругляющие фрезы. После обработки проверяют шаблоном. Скорость резания на 20–30% ниже, чем при плоском фрезеровании.

8. Контурное фрезерование

Воспроизведение контура шаблона или матрицы на заготовке. Разные фрезы, часто концевые.

9. Концевое фрезерование

Получение плоской поверхности (горизонтальной, вертикальной или под углом) концевой фрезой. Также для пазов, канавок, шпоночных пазов. Вертикально-фрезерные станки лучше подходят.

10. Пиловое фрезерование

Наряжение узких пазов и канавок пиловой фрезой. Также для отрезки. Фреза устанавливается над Т-образным пазом стола.

11. Нарезание шпоночных пазов, канавок и пазов

Различные формы и размеры. Инструменты: пластинчатая фреза, металлопиловая фреза, концевая фреза, дисковая фреза. Открытые пазы — пластинчатыми, пиловыми, дисковыми фрезами. Закрытые — концевыми. Довetail и T-образные — специальными фрезами. Второй паз под прямым углом к первому. Вудрафов паз — специальной фрезой. Стандартные шпоночные пазы на валах — дисковыми или концевыми фрезами. Фреза устанавливается точно по центру заготовки.

12. Нарезание зубьев шестерён

Инволюционные фрезы. Формообразующая фреза (цилиндрическая или концевая) точно соответствует зубовому промежутку. Равномерные зубья на заготовке шестерни с универсальным делительной головкой.

13. Винтовое фрезерование

Изготовление винтовых поверхностей: шестерён, сверл. На периферии цилиндрической заготовки. Поворот стола на угол наклона винта, затем вращение и подача заготовки к режущим кромкам.

14. Нарезание камер

Изготовление камер для распределительных механизмов ДВС.

15. Нарезание резьбы фрезой

Одинарные или многозубчатые резьбонарезные фрезы. На специальных резьбонарезных станках для точной резьбы малых и крупных партий. Требует трёх движений: вращения фрезы, вращения заготовки, продольного движения фрезы.

Правила безопасности на фрезерных станках

• Не касайтесь вращающейся фрезы.
• Кладите деревянную подкладку на стол для защиты.
• Перемещайте тяжёлые приспособления вдвоём.
• Не затягивайте гайки втулки силами станка.
• При установке/снятии фрез держите их тряпкой, чтобы не порезаться.
• Устанавливайте фрезу последней, чтобы не пораниться.
• Не регулируйте заготовку или приспособления на работающем станке.
• Удаляйте стружку скреблом и щёткой.
• Выключайте станок перед настройкой и замером.
• При использовании СОЖ предотвращайте брызги защитными экранами — скользкий пол травмоопасен.

Преимущества фрезерных станков

• Габариты и жёсткость позволяют обрабатывать крупные и тяжёлые детали.
• Гибкое компьютерное управление (ЧПУ).
• Минимизация человеческих ошибок.
• Высокая точность резания.
• Возможность кастомизации.
• Использование нескольких фрез одновременно.
• Множественные срезы за один проход.
• Идеальны для единичного и серийного производства.
• Сложные формы с многозубчатыми и однозубчатыми инструментами.
• Контроль затрат при использовании универсальных фрез и оснастки.
• Высокая точность чистовой обработки.

Недостатки фрезерных станков

• Высокая стоимость станка.
• Дорогие фрезы — большие затраты на инструмент.
• Себестоимость растёт, если операции, выполняемые на строгальном или сверлильном станке, переносят на фрезерный.
• Станки с ЧПУ и их наладка дороже ручных.
• Требуется квалифицированный персонал.
• Время на проектирование и программирование — неэффективно для мелких партий.

Применение фрезерных станков

• Изготовление различных типов шестерён.
• Нарезание пазов и канавок.
• Обработка плоских и сложных поверхностей.
• Производство сложных деталей в промышленности.
• Учебные лаборатории в учебных заведениях.

Часто задаваемые вопросы

Что такое фрезерный станок?

Станок для обработки твёрдых материалов (металл, пластик, дерево) вращающейся фрезой. Заготовка неподвижна, инструмент вращается — в отличие от токарного станка.

Каковы основные детали фрезерного станка?

Колонна и база, консоль, седло и поворотный стол, механизм подачи, стол, шпиндель, консольная балка, опора втулки.

Каковы виды фрезерных операций?

Плечевое, лицевое, контурное, канавковое и отрезное, фасочное, фрезерование поворотом, зубонарезание, полостообразование.

Что делает фрезерный станок?

Удаляет материал вращающейся фрезой, движущейся к заготовке. Обрабатывает плоские и сложные поверхности, сверлит, растачивает, нарезает шестерни, резьбу, пазы.

Где применяется фрезерный станок?

Универсален: плоские и сложные поверхности, сверление, растачивание, шестерни, пазы. Удаляет металл вращающейся многозубчатой фрезой, подаваемой к движущейся заготовке.

Сколько стоит фрезерный станок?

Тип ЧПУ	Описание	Средняя цена
Токарный с ЧПУ	Токарный	$80 000
Фрезерный с ЧПУ	Фрезерный	$60 000
Вертикально-обрабатывающий центр	VMC	$50 000
Горизонтально-обрабатывающий центр	HMC	$89 000
Горизонтально-растачивальный станок	HBM	$125 000
Вертикально-башенный токарный	VTL	$166 000

В чём разница между токарным и фрезерным станком?

Оба удаляют материал. Токарный: вращается заготовка, стационарный резец. Фрезерный: вращается многозубчатая фреза, заготовка неподвижна.

Каковы преимущества фрезерного станка?

• Легко создаёт сложные формы многозубчатым инструментом.
• Высокая производительность.
• Сокращение подготовки.
• Высокая точность.
• Разнообразие фрез ускоряет работу.

Сколько стоит час работы ЧПУ?

В среднем $75–200 в час. Каждый доллар окупается точностью и качеством деталей.

Разница между обработкой и фрезерованием?

Главное отличие обрабатывающего центра от фрезерного ЧПУ — автоматическая смена инструмента. Упрощённо: фрезерный станок — ручное управление, обрабатывающий центр — компьютерное/автоматизированное. Здесь рассматривается вертикально-фрезерный станок.

Разница между фрезерованием и сверлением?

Сверление — только вертикальное врезание. Фрезерование добавляет горизонтальное резание боковой поверхностью фрезы. Сверлить можно на сверлильном станке или ручной дрелью, фрезеровать — только на фрезерном станке.

Нужен ли мне фрезерный станок?

Для металлических деталей со средними допусками — единственный практический вариант. Незаменимы в производстве. Хоббистам без опыта сложно выбрать стартовый станок.

Что умеет фрезерный станок с ЧПУ?

Массово производит детали из металлов и пластиков. Механически вырезает заготовку до нужной формы.

Что такое рама на фрезерном станке?

Шпиндель на подвижном корпусе на колонне, позволяющий позиционировать фрезу по горизонтали вперёд-назад. Популярные модели: универсальный фрезерный и с поворотной головкой.

Что такое фрезерный станок для дерева?

В столярстве для профилей, полостей, декоративных канавок. Позволяет ставить разные фрезы для обработки твёрдых и мягких пород.

Может ли фрезерный станок сверлить?

Да, фрезерные станки умеют сверлить, растачивать и выполнять другие операции. Сверлильный станок только для круглых отверстий. Фрезерный работает как сверлильный, но с большими возможностями.

Можно ли сверлить отверстия на фрезерном станке?

Да, и довольно хорошо — благодаря жёсткости и точности.

Что такое горизонтально-фрезерный станок?

Шпиндель с фрезой ориентирован горизонтально. Вращающаяся фреза удаляет материал, вращаясь вокруг горизонтальной оси.

Почему ЧПУ-фрезерование важно?

Обеспечивает точное изготовление сложных деталей для телекома, авиации и др. Компьютерные технологии позволяют проектировать и производить сложные специфические детали.

Почему фрезерование лучше сверления?

В отличие от сверлильного станка (только вертикаль), фрезерный позволяет поворачивать резец для уникальных углов и срезов. Для металла не требует частых смен скоростей и настроек.