Закрепление заготовки на фрезерном станке с ЧПУ: тиски, губки, прижимы, вакуум и нулевые системы

Базирование: правило 3-2-1

Базирование по ГОСТ 21495-76 — придание заготовке требуемого положения относительно выбранной системы координат. Стандарт формулирует главное: чтобы заготовка была неподвижна, на неё накладывают шесть двусторонних связей, а для этого нужен комплект из трёх баз.

• Установочная база — три опорные точки. Лишает перемещения вдоль одной оси и поворотов вокруг двух других. Обычно это нижняя грань на губках или опорах.
• Направляющая база — две точки. Лишает перемещения вдоль второй оси и поворота вокруг третьей. Обычно длинная боковая грань к неподвижной губке.
• Опорная база — одна точка. Лишает последнего перемещения. Обычно торец к упору.

Отсюда название «3-2-1». Три точки ставят как можно дальше друг от друга, две — вдоль самой длинной грани: чем больше расстояние между опорами, тем меньше угловая ошибка от грязи или заусенца под одной из них.

Базы для первой операции берут черновые, для следующих — уже обработанные поверхности. Нуль детали в программе удобно совмещать с базами: тогда наладчик находит его щупом на тех же гранях, к которым прижата заготовка. Подробнее — в статье «Системы координат и коррекции инструмента».

Станочные тиски

В обычных тисках база — неподвижная губка: деталь прижимают к ней, и разброс размеров заготовки уходит в сторону подвижной губки. В самоцентрирующих тисках базой становится ось симметрии — ГОСТ 21495-76 приводит губки самоцентрирующих тисков как пример базы-оси. Такие тиски выбирают, когда важна симметрия относительно центра и когда нужно дотянуться до детали с пяти сторон.

Для 5-осевой обработки LANG Technik выпускает самоцентрирующие тиски Makro-Grip с глубиной зажима всего 3 мм. Держит соединение по форме: заготовку заранее чеканят на прессе усилием до 20 т, и зубья губок входят в отпечатки. По данным LANG, в таких тисках можно закрепить деталь шириной до трёх ширин губки и высотой до двух.

Губки: твёрдые, мягкие, под форму

• Твёрдые шлифованные губки — для прямоугольных заготовок с параллельными гранями. Под деталь подкладывают параллели, чтобы поднять её над губками.
• Мягкие губки из стали или алюминия фрезеруют на самом станке под контур детали. Так закрепляют вторую сторону, фасонные и тонкостенные детали: контакт по всей поверхности, а не по двум линиям.
• «Ласточкин хвост» — на заготовке заранее фрезеруют выступ с наклонными стенками, губки захватывают его. Заготовка держится малой высотой зажима, остальные пять сторон открыты. Минус, который отмечает LANG, — подготовка занимает время станка.
• Губки под чеканку — тот же принцип соединения по форме, но отпечатки делают прессом вне станка.

Прижимы, плиты и вакуум

Крупные заготовки и корпуса ставят прямо на стол или на плиту с сеткой отверстий и прижимают прихватами. Правила те же: опора под каждым прижимом, прижим — ближе к зоне резания, высота опоры прихвата — на уровне заготовки или чуть выше, чтобы прихват давил вниз, а не под углом. Прихваты не должны мешать траектории — это проверяют в симуляции.

Вакуумный стол удерживает заготовку разностью давлений. По Schmalz, горизонтальная сила, которая противостоит резанию, равна площади под разрежением, умноженной на перепад давления и на коэффициент трения.

Пример Schmalz: алюминиевая деталь, площадь 600 см², вакуум 800 мбар, плита с фрикционными вставками μ = 0,25. Вертикальная сила — около 8 Н/см² × 600 см² = 4800 Н, горизонтальная — 4800 × 0,25 = 1200 Н. Schmalz оговаривает, что силы резания сильно растут с тупым инструментом и завышенной подачей, поэтому пример — ориентир, а не гарантия.

Вакуум не деформирует деталь и оставляет открытыми все стороны, кроме опорной. Но он требует плотного прилегания: по Schmalz, при неровностях опорной поверхности больше примерно 0,1 мм нужны особые уплотнения. Любая утечка снижает силу.

Нулевые системы базирования

Нулевая система — это модули на столе станка и штыри на приспособлении или палете. Модуль втягивает штырь и одновременно центрирует его, поэтому тиски или палету переставляют со станка на станок без выверки: положение повторяется, а нуль детали остаётся тем же.

Схема питания у систем разная. Модуль Schunk NSE3 зажимается пружинами и открывается сжатым воздухом. У Quick-Point механический привод от одного винта, пневматика — по заказу. EROWA MTS управляется пневматикой и рассчитан в том числе на автоматическую смену палет.

Выгода нулевой системы — в сокращении наладки. Приспособление с заготовкой готовят вне станка, пока станок работает, а на станке только ставят и зажимают.

Тонкостенные детали и вибрации

Тонкая стенка и тонкое дно деформируются в двух случаях: при зажиме и под силой резания. После разжима деталь возвращает форму, и размер «уходит».

Что помогает:

• Зажим по жёстким участкам. Губки — на толстые сечения, под тонкие — опоры. Мягкие губки по контуру распределяют усилие.
• Усилие не больше нужного. Гидравлические тиски позволяют задать и повторять одно и то же давление.
• Соединение по форме или вакуум. По данным LANG, при чеканке деталь не деформируется при разжиме; Schmalz называет вакуум закреплением без деформации для тонких деталей из цветных металлов.
• Малая осевая сила. Для тонкостенных нежёстких деталей Sandvik Coromant рекомендует фрезы с углом в плане 90° — у них мала осевая сила.
• Черновая и чистовая раздельно. После черновой обработки ослабляют зажим, дают детали «отпустить» внутренние напряжения и зажимают заново с меньшим усилием.

По вибрациям Sandvik Coromant даёт для оснастки конкретные советы:

• приспособление должно стоять как можно ближе к столу станка;
• траекторию и направление подачи выбирают в сторону самого жёсткого узла приспособления, не обрабатывают в направлении, где деталь плохо поддержана;
• если приспособление или деталь слабы в одном направлении, встречное фрезерование может снизить вибрации;
• инструмент — минимально возможной длины: при вылете больше четырёх диаметров склонность к вибрациям заметно растёт.

Вылет заготовки над губками работает так же, как вылет инструмента. Высокую деталь зажимают глубже или подпирают, а если обработка требует большого вылета — выбирают оснастку, которая поднимает деталь ровно настолько, насколько нужно для доступа инструмента.

Как тип и число зубьев фрезы влияют на силы и вибрации — в статье «Виды фрез и как выбрать». Как 5-осевая обработка сокращает число установов — в статье «Обработка 3+2 и 5-осевая».