При создании большого количества фигурных элементов зачастую приходится выполнять нудную работу, направленную на  перенастройку фрезерной головки. Приобретать для подобных работ специализированный станок может позволить не каждый, однако имеется возможность проектирования и разработки его собственными руками. При этом, если фрезу, оснащенную приводом, сделать подвижной, а станочный стол – наклонным, то для разработки разных профилей можно будет обойтись  минимальным набором сменных фрез.

Станок имеет сварное основание или каркас, купленный шпиндельный узел, имеющий выходной вал 025 мм. Имеется возможность наклонять стол  на 16° к себе и на 3° от себя. Вес станка составляет порядка 110 кг. Сварной каркас из  стали можно заменить на деревянный.

Разработка основания

Каркас сваривается из стальных квадратных труб размером 50мм x 50мм x  5мм. Его с 3-х сторон закрывают металлическими панелями. Накладка с изоляционными свойствами, наклеенная изнутри на панели, существенно снижает шум. Швеллер 200 мм, изготовленный из стали, приварен к основанию и предназначен для монтажа узла шпинделя станка. В целях облегчения передвижения станка, его задние ножки оснащены роликами.

Металлические элементы основания, обрезанные по длине, стягивают с помощью проволоки, проверяют их взаимное положение и соединяют посредством сварки. Чтобы внешний вид станка был аккуратным, сварочные швы располагают внутри каркаса.

Основание может быть изготовлено также из дерева. При выборе деревянного варианта следует применять заготовки довольно большого сечения, соединенные методом паз-шип со шкантами, чтобы добиться жесткости основания и отсутствия вибраций.

Закрепление боковых панелей выполняется на заклепках. Ролики монтируют в заранее определенных местах, на задних ножках. Торцевая часть передних ножек в целях увеличения сцепления с полом, а также снижения вибрации, оснащается прокладкой из неопрена либо резины.

Доработка шпинделя

Вал узла шпинделя должен соответствовать основной массе фрез, которые планируется применять в дальнейшем. Кроме наклона стола, необходимо добиться возможности опускания/поднятия фрезы станка с неизменным расположением шкивов шпинделя и двигателя. Положение фрезы по высоте будет регулироваться посредством системы, состоящей из доработанного шпинделя, оснащенного ходовым винтом 012 мм, имеющего длину 610 мм, с помощью нижнего конца которого вращается звездочка. Вместе с тем звездочка при помощи цепи соединяется с ходовым винтом от подвижной каретки двигателя, который немного короче первого — 500 мм. В ходе вращения штурвала на ходовом шпиндельном винте происходит изменение не только высоты установки, с помощью винта каретки передвигается и двигатель. Причем, опускание/поднятие шкивов, предназначенных для клинового ремня, выполняется синхронно.

В процессе доработки шпинделя, после высверливания имеющихся втулок из установочных фланцев следует плотно загнать латунную втулку, оснащенную внутренней резьбой М12, в нижний фланец. Нарезку резьбы можно произвести и в литом фланце, однако втулка может обеспечить высокую надежность механизму спуска-подъема. Выполняется вставка одного конца ходового винта в верхний фланец шпиндельного корпуса. Его движение по оси в каждую из сторон ограничен гайками с шайбами. Чтобы избежать затягивания гаек при вращении винта, а также появления его  закусывания в верхнем фланце, гайки шплинтуют посредством  ходового винта. Далее весь узел закрепляется на болтах, имеющих неопреновые шайбы, к нижней части  швеллера, монтаж которого произведен сверху на основание. Ручкой регулятора высоты фрезы может послужить штурвал от вышедшего из строя токарного станка: его закрепляют на ходовом винте посредством шплинта. Стопорная гайка, стоящая на ходовом винте, ограничивает ход шпинделя (75 мм) и фиксируется шплинтом. Удержание нижнего конца ходового винта выполняется посредством деревянного  блока. Его просверливают под ходовой винт и закрепляют к внутренней части перемычки основания. На данном этапе следует проверить, насколько легко вращается доработанный шпиндель. Возможно, его необходимо будет перебрать и обработать смазкой.

Создание скользящей каретки двигателя

Каретка позволяет перемещать  двигатель вверх/вниз в синхронном режиме  со шпинделем. Ее изготавливают из 4-х частей фанеры твердых пород дерева, квадратного куска стандартной фанеры, имеющей толщину 20 мм, а также пары оцинкованных труб 012 мм длиной 500 мм (будут выступать в качестве направляющих) и ходового винта размером М12 х 500 мм. В  целях плавного перемещения по направляющим каретки, отверстия для направляющих и ходового винта просверливаются очень точно. Для этого следует сложить и зажать вместе все 4 детали и высверлить все отверстия для одной установки с помощью сверла диаметром немного большим, чем диаметр направляющих трубок, а также ходового винта. Чтобы зафиксировать направляющие в деталях кареточного крепления к основанию, следует произвести пропилы до отверстий сбоку и высверлить поперечные отверстия, предназначенные для закладных болтов размером 08 мм. Сборка подвижной платформы выполняется с помощью клея и шурупов.  Необходимо предусмотреть в ней отверстия, предназначенные для дальнейшего крепления двигателя. В процессе вращения ходового винта платформа перемещается посредством латунной пластины с резьбовым отверстием. В целях более легкого перемещения выполняют ослабление резьбы.  После  вставления направляющих и их подгонки к отверстиям  платформы, их фиксируют путем затягивания закладных болтов. Затем заворачивают ходовой винт в латунную пластину, а концы закрепляют гайками с шайбами. Чтобы избежать перемещения обеих гаек, их шплинтуют посредством  ходового винта.

После завершения сборки каретки, двигатель устанавливают на нее, а всю конструкцию закрепляют на основании. Шкивы двигателя и шпинделя соединяются с помощью клинового ремня. Передаточное отношение выбирается таким образом, чтобы шпиндельная скорость составляла порядка 7000 об/мин. Целесообразно применение литых шкивов, оснащенных разрезными конусными втулками, охватывающими в ходе монтажа вал как цанга. Они являются точными и не бьют даже при функционировании на высоких оборотах. Нижние концы ходовых винтов шпинделя и каретки посредством зашплинтованных гаек оснащены звездочками 050 мм для соединения винтов с помощью роликовой цепи. Цепь со звездочками можно применять от велосипедов.

Наклонный стол

Ось вращения стола лежит на его верхней поверхности, касается внешней режущей фрезерной кромки. Данное расположение оси дает возможность выставления высоты внешней кромки фрезы автономно, не смотря на угол наклона стола. Все это дает возможность сохранять размер на внешнем ребре детали обработки, независимо от того, какой толщины заготовка.

Стол наклоняется с помощью кронштейнов. Оба фанерных кронштейна подвески закреплены на нижнюю поверхность столешницы. На каждом кронштейне по радиусу произведен пропил пазов, служащих направляющими для шпилек размером  М10 х 100 мм, которые ввинчены в основание. Шпильки оснащены барашковыми гайками, плотно прижимающими кронштейны к основанию, а также фиксирующими стол. Они имеют навернутые латунные втулки 020×20 мм с резьбой, по которым и выполняется скольжение внутренних поверхностей пазов.

Кронштейны изготавливаются из березовой фанеры высокого качества, имеющей толщину 20 мм. Откладывается радиус 276 мм от оси вращения стола до оси паза. Чтобы нанести на заготовку кронштейна данную метку, следует временно набить на ее ребро небольшой кусок фанеры.

Размеры крышки станочного стола составляют  40мм x 750мм x 750мм; она склеена из 50мм-х кленовых планок. Крышка изготавливается также из ДСП, покрытой пластиком, либо фанеры. Для фрезы 0145 мм в крышке выбирается отверстие размером 0152 мм. Стружка от данного отверстия отводится с помощью выемки до края стола, имеющей глубину 20 мм.

Крепление столешницы выполняется к 2-м брускам с габаритами 40x45x700 мм, изготовленными из твердой фанеры, посредством болтов сквозь продольные пазы, при этом бруски приворачивают к кронштейнам посредством шурупов на клею. Бруски способны увеличить жесткость и обеспечить прочное соединение с кронштейном. Продольные пазы,  имеющиеся  концах брусков, дают возможность корректировки монтажа  стола.

На станочное основание столешница, оснащенная кронштейнами,  монтируется следующим образом. Посредством клиньев и прокладок следует поставить верхнюю ее плоскость под 90° к оси шпинделя. Далее парой струбцин производится фиксация кронштейнов в этом положении. Применяя радиусные пазы как шаблоны, выполняют разметку положения боковых фиксирующих шпилек. С помощью металлического кернера на верхней поперечине, а также на основании – на задней ножке  — выполняют разметку положения каждой из шпилек (размечают положение каждого кронштейна). Далее, сняв крышку, высверливают отверстия 010 мм и монтируют шпильки на гайках, оснащенных стопорными шайбами. Крупные шайбы под барашковыми гайками позволяют равномерно распределять усилие на кронштейны.

Ограждение

 В целях безопасной работы требуется ограждение зоны фрезы. Его изготавливают из ламинированной фанеры, а затем устанавливают сверху защитного фрезерного кожуха. Ограждение способно защищать руки. В защитном кожухе имеется отверстие для шпинделя, а снизу есть выемка для того, чтобы отводилась стружка. Габариты U-образного ограждения имеют больший диаметр, нежели фреза. Ограждение устанавливается на защитном кожухе посредством шурупов. Крепление защитного кожуха осуществляется  к крышке станка посредством двух шпилек размером М10х75 мм, идущих  сквозь ее продольные отверстия. Шпильки вворачиваются в резьбовые втулки. Для отведения стружки и пыли сзади на защитном кожухе имеется  деревянная накладка, оснащенная отверстием для шланга пылесоса.

Станочные шпиндели нормальной и повышенной точности производят из легированной стали маркировок 50_Х, 40_ХГТР, 40_ХФА, цементируемой стали 18_ХТ, 20_Х. Станки  высокой/особо высокой точности производят из стали 40_ХФА, 18_ХГТ, 12_ХНЗА. Термическая обработка шпинделей  — это закалка либо закалка поверхности с предшествующей (если необходимо) цементацией. Основными поверхностями шпинделей являются шейки под подшипники, центрирующие патрон, а также конусное отверстие – шлифовка и полировка (см. рисунок 1).

Рис. 1. Шпиндель станка

Предельными отклонениям шпиндельных шеек под подшипники качения (для ужесточения рабочих условий) являются  js_5, k_5, m_5, а шеек патрона – js_5. Имеется зависимость класса точности используемых подшипников качения для шпиндельного узла от точности станка. Таблица 1 раскрывает данную  зависимость для станков токарного типа.

Таблица 1. Связь точности обработки токарного типа и точности шпиндельного станочного  узла

Вероятные дефекты и способы шпиндельного ремонта

В результате износа шеек до 0,01-0,02 мм, следует производить притирку на станке токарного типа сначала посредством смеси наждачного порошка с  маслом, а затем посредством доводочной пасты с керосином. При наличии  износа шеек более чем 0,02 мм, выполняют:

1) работы по шлифованию с дальнейшей доводкой под ремонтные размеры (если существует возможность изменения размера отверстия детали, которая сопрягается со шпинделем детали). По завершении шлифования производится проверка цементированных шеек на существование цементированного слоя, а затем при необходимости выполняется повторная цементация;

2) в случае сохранения размера отверстия выполняется восстановление шеек, которые изношены до 0,05 мм, посредством хромирования с дальнейшим шлифованием, а с износом более 0,05 мм – посредством металлизации либо вибродуговой наплавки с дальнейшим обтачиванием и шлифованием;

3) в случае значительного износа выполняется протачивание шейки, напрессовка либо монтаж на клеевой основе ремонтной втулки с дальнейшим ее протачиванием либо шлифованием.

В случае небольшого износа конического шпиндельного отверстия, рисок и забоин, на его поверхности выполняется шлифование посредством внутришлифовального станка либо без снятия  шпинделя со станка посредством специального приспособления. В случае существенного износа конического отверстия производят его расточку и напрессовку либо монтируют на клеевой основе ремонтную втулку с дальнейшим растачиванием и шлифованием.

В случае износа или повреждения резьбы делают наплавку или металлизацию с дальнейшей нарезкой резьбы, а реже производят перенарезку резьбы на меньший диаметр.

Шпиндели после ремонта должны соответствовать следующим требованиям:

1. Превышение отклонения от цилиндричности шеек для подшипников  не должно быть больше 10% от допуска на диаметр шейки в случае станочных шпинделей с точностью станков А и С; 25% допуска в случае точности станков B и П, а также 50% допуска в случае, когда точность станка Н.

2. В ходе проверки правильности геометрической формы шпиндельных конусных поверхностей посредством конусного калибра необходимо следить, чтобы длина неокрашенных мест составляла не более 5мм по окружности, а также 20% длины образующей; 4 продольные риски, нанесенные через 90° на калибр, должны быть подвержены равномерному растиранию, а размер нестертых мест не должен составлять более 3 мм.

3. В ходе проверки размера конусного отверстия, торцевая часть шпинделя должна лежать в пределах 2-х рисок на конусном калибре.

4. В ходе  протачивания и перешлифовки основных шпиндельных поверхностей возможно  уменьшение диаметра не более, чем на 5%, а диаметр резьбы может быть уменьшен до следующего наименьшего стандартного размера.

5. Нельзя увеличивать размеры шпоночного паза.

6. Вручную вращение шпинделя должно выполняться без люфта и заеданий.

7. По окончании сборки шпиндельного узла выполняется проверка параллельности или перпендикулярности шпиндельной оси к поверхности стола либо направляющих.  В таблице 2 представлено  описание допустимых погрешностей расположения шпиндельных поверхностей.

 Таблица 2. Нормы точности шпинделей металлорежущего станка 

Фрезерование представляет собой частный случай строгания и выполняется на фрезерных станках. Станки по дереву для строгания используются, как правило, при обработке плоских поверхностей, в то время как фрезерные станки предназначены, преимущественно, для целей фасонной обработки элементов по прямому либо кривому контуру.

Рис. 1. Фрезерный станок: 1 — станина, 2 – салазки, 3 – главный шпиндель, 4 — направляющие салазок, 5 — стол, , 6 — вставной шпиндель, 7 — упор на кронштейне (верхний), 8 – направляющие линейки, 9 – маховичок, предназначенный для подъема шпинделя, 10 — винт подъема.

Рабочий инструмент фрезерного станка – это вращающаяся с высокой скоростью ножевая головка, расположенная, как правило, вертикально.

Из всего многообразия конструкций фрезерных станков в промышленности отмечается широкое применением следующих:

1) одношпиндельных обыкновенных, оснащенных вертикальным шпинделем,

2) одношпиндельных с наклоняющимся столом либо шпинделем,

3) копировальных, имеющих верхний шпиндель,

4) копировальных с горизонтальным шпинделем, применяемых при обработке воздушных винтов из дерева.

Все перечисленные конструкции, за исключением п.4, имеют ручную подачу материала.

Привод практически во всех современных станках электрифицированный.

 Одношпиндельные фрезерные станки

Устройство станка приведено на рисунке 1. Имеется чугунная станина 1, на которой горизонтально укреплен точно выстроганный стол 5, оснащенный двумя шпунтовыми гнездами, предназначенными для закрепления направляющих линеек. На салазках 2, перемещающихся по направляющим 4, под столом установлен шпиндель 3 на 2-х подшипниках и подпятнике. Он несет в своей верхней части шпиндель вставного типа 6, на который производится насадка режущего инструмента. С помощью винта 10, оснащенного маховичком, либо конической зубчатой передачи 9, оснащенной маховичком, имеется возможность опускать и понимать салазки со шпинделем. Приведение шпинделя во вращение осуществляется с помощью ременной передачи от двигателя, контрпривода либо прямо от вала двигателя. Для создания самодельного фрезерного станка по дереву необходимо следующее.

С целью придания шпинделю максимальной устойчивости в ходе выполнения фрезерования деталей с большой высотой, или при больших нагрузках на шпиндель, стол станка оснащается закрепленным  на кронштейне верхним упором 7. Для того, чтобы направить изделие при обработке, применяют направляющую линейку 8 или направляющее кольцо.

Фрезерные станки оснащаются горизонтальным столом либо наклоняющимся шпинделем или столом. Станки, оснащенные шпинделем, кроме осуществления стандартных фрезерных работ, дают возможность обрабатывать материалы под углом с помощью ножевых головок  существенно меньшего диаметра (см. рисунок 2), что позволяет получать равномерную чистую поверхность.

Фрезерный станок, оснащенный  наклоняющимся шпинделем, является более удобным  и безопасным в работе, нежели станок, имеющий наклоняющийся стол.

В некоторых случаях в ходе обработки кривых деталей, чтобы не происходил закол древесины, следует осуществлять смену направления вращения резца/шпинделя либо выполнять перестановку изделия. При этом весьма удобными являются двухшпиндельные фрезерные станки (см. рисунок 3). В таких станках вращение шпинделей происходит в противоположных направлениях.

Рис. 2. Форма фрезы. Обрабатывается один и тот же профиль: а — на стандартном фрезерном станке, б — на станке, оснащенном наклонным столом либо  шпинделем.

Рис. 3. Двухшпиндельный станок для фрезерования

Основными элементами конструкции данных станков являются составляющие, аналогичные стандартным одношпиндельным станкам. Характеристики станков для фрезерования  приведены в таблицах 2-3.

Стандартные скорости резания на фрезеровочных станках t лежат в диапазоне от 19 до 50 м/сек, а подача — в диапазоне от 5 до 20 м/мин.

Вставные фрезерные шпиндели

При установке режущего инструмента фрезерных станков используются вставные шпиндели (см. рисунок 4).

Шпиндель № 1 позволяет устанавливать только плоские ножи в радиальном направлении.

Применение шпинделей № 2 и № 3 осуществляется только для работы с плоскими ножами, которые устанавливаются тангентально между шайбами, либо при работе с применением круглых  ножевых головок или фрезы. При  установке фрезы или ножа на заданной высоте необходимо на шпиндель надеть  ряд колец.

Рис. 4. Фрезерный станок: вставные шпиндели

Применение шпинделя № 4 осуществляется в целях установки квадратных ножевых головок либо определенных самоцентрирующихся патронов (буксов).

Выполняется обработка рабочего диаметра шпинделя согласно 2-му классу точности при скользящей посадке.

Обработка шпиндельного хвостовика выполняется под конус Морзе.

Типовые данные по вставным шпинделям приведены в таблице 1.

Таблица 1. Вставные шпиндели: типовые данные

Таблица 2. Характеристика фрезерных станков, оснащенных нижним вертикальным шпинделем

Таблица 3. Характеристика фрезерных станков, оснащенных нижним вертикальным шпинделем

Квадратную головку применяют для установки ножей, имеющих толщину до 12 мм. При этом высота головки составляет 100 мм, а диаметр отверстия, предназначенного для шпинделя, — 25 мм.

Затяжку гайки при монтаже ножей, фрез либо головок ножа на шпинделе выполняют ключом от руки до отказа. Использование рычагов для затяжки не рекомендуется.

Гайка обязательно должна находить на резьбу полностью, при этом длина выступающего конца резьбы  должна быть не менее 1 мм.

Одношпиндельные станки копировально – фрезерного типа с верхним шпинделем

Станки данного типа используются при выполнении разного рода работ по копированию, не требующих особой мощности. Посредством таких станков можно выполнять и фрезерные, и сверлильные работы, а потому их широко применяют при выполнении ажурных работ, поскольку отпадает необходимость в  использовании сразу сверлильного и фрезерного станков, а также лобзика. Рабочим инструментом здесь являются специальные фрезы, чисто режущие, позволяющие при большом количестве оборотов шпинделя получать  особо чисто обработанную поверхность.

Фрезерные станки одношпиндельного копировального типа, имеющие верхний шпиндель, с особым успехом могут использоваться для создания ажурных рам, работ по  калибровке бобышек, книц, а также стенок нервюр и пр.

Устройство станка

В основе станка лежит солидная чугунная станина, имеющая верхнюю часть в виде серповидно изогнутой формы и служащая кронштейном для монтажа на ней электродвигателя. Последний монтируется в направляющих, а затем посредством системы рычагов  его  можно перемещать по ним вверх/вниз при воздействии на педаль со стопорным приспособлением. Вал ротора двигателя соединяется со шпинделем, где закреплен американский либо определенный самоцентрирующийся патрон, оснащенный рабочим инструментом.

Нижняя часть станины содержит стол, установленный на подвижном кронштейне. Стол можно перемещать в вертикальном направлении с помощью направляющих и маховичка. Некоторые конструкции стола  можно перемещать вертикально в ходе работы нажатием на педаль. При этом электродвигатель со шпинделем остаются неподвижными.

Перемещение стола может выполняться либо только вертикально, либо плиту стола делают передвижной горизонтально —  вправо/влево, вперед/назад.

Начальная установка станка в исходное положение выполняется соответственно высоте (толщине) обрабатываемого элемента маховичком, а далее подача ведется посредством перемещения мотора либо стола с помощью педального механизма.

Характеристика станка

Станок произведен компанией Оливер (OliverMachinerγСО) США (таблица 4). Модель №55.

Оснащен электрифицированным приводом, мощность  двигателя составляет 1,5 кВт.

Перемещение шпинделя станка осуществляется с помощью педали

Таблица 4. Характеристики станка

Определение направления копира выполняется посредством штифта, имеющегося в центре стола. С помощью дополнительной педали станочный шпиндель может быть зафиксирован по высоте в произвольном положении.