Фрезерование — это процесс обработки с использованием вращающихся фрез для удаления материала [1] путем продвижения фрезы в заготовку . Это может быть сделано путем изменения направлений [2] по одной или нескольким осям, скорости режущей головки и давления. [3] Фрезерование охватывает широкий спектр различных операций и машин, в масштабах от небольших отдельных деталей до крупных, тяжелых операций фрезерования. Это один из наиболее часто используемых процессов для обработки деталей по индивидуальному заказу с точными допусками.
Фрезерование можно выполнять с помощью широкого спектра станков . Первоначальным классом станков для фрезерования был фрезерный станок (часто называемый фрезой). После появления числового программного управления (ЧПУ) в 1960-х годах фрезерные станки превратились в обрабатывающие центры : фрезерные станки, дополненные автоматическими сменщиками инструмента, магазинами инструментов или каруселями, возможностями ЧПУ, системами охлаждения и кожухами. Фрезерные центры обычно классифицируются как вертикальные обрабатывающие центры (VMC) или горизонтальные обрабатывающие центры (HMC).
Интеграция фрезерования в токарные среды и наоборот началась с приводных инструментов для токарных станков и периодического использования фрез для токарных операций. Это привело к появлению нового класса станков, многозадачных станков (МТМ), которые специально созданы для облегчения фрезерования и токарной обработки в одной рабочей зоне.
Фрезерование — это процесс резки , при котором фреза используется для удаления материала с поверхности заготовки . Фреза — это вращающийся режущий инструмент , часто с несколькими режущими кромками. В отличие от сверления , где инструмент продвигается вдоль своей оси вращения, фреза при фрезеровании обычно перемещается перпендикулярно своей оси, так что резка происходит по окружности фрезы. Когда фреза входит в заготовку, режущие кромки (канавки или зубья) инструмента многократно врезаются в материал и выходят из него, срезая стружку (стружку) с заготовки с каждым проходом. Режущее действие — это деформация сдвига; материал отталкивается от заготовки крошечными комками, которые в большей или меньшей степени слипаются (в зависимости от материала), образуя стружку. Это делает резку металла несколько отличной (по своей механике ) от резки более мягких материалов лезвием .
Процесс фрезерования удаляет материал, выполняя множество отдельных небольших разрезов. Это достигается с помощью фрезы со множеством зубьев, вращения фрезы на высокой скорости или медленного продвижения материала через фрезу; чаще всего это некоторая комбинация этих трех подходов. [2] Используемые скорости и подачи варьируются в зависимости от комбинации переменных. Скорость, с которой деталь продвигается через фрезу, называется скоростью подачи или просто подачей ; чаще всего она измеряется как расстояние за время (дюймы в минуту [in/min или ipm] или миллиметры в минуту [mm/min]), хотя иногда также используется расстояние за оборот или на зуб фрезы.
Существует два основных класса процессов фрезерования:
В процессе фрезерования используется множество различных типов режущих инструментов. Фрезы, такие как концевые фрезы, могут иметь режущие поверхности по всей торцевой поверхности, так что их можно сверлить в заготовке (врезание). Фрезы также могут иметь расширенные режущие поверхности по бокам, что позволяет выполнять периферийное фрезерование. Инструменты, оптимизированные для торцевого фрезерования, как правило, имеют только небольшие резцы на своих торцевых углах.
Режущие поверхности фрезы обычно изготавливаются из твердого и термостойкого материала, поэтому они изнашиваются медленно. Недорогая фреза может иметь поверхности из быстрорежущей стали . Более дорогие, но и более медленно изнашиваемые материалы включают цементированный карбид . Тонкопленочные покрытия могут наноситься для уменьшения трения или дальнейшего повышения твердости.
Существуют режущие инструменты, которые обычно используются во фрезерных станках или обрабатывающих центрах для выполнения фрезерных операций (и иногда в других станках). Они удаляют материал своим движением внутри станка (например, шаровая фреза) или непосредственно из формы фрезы (например, формовочный инструмент, такой как червячная фреза).
Когда материал проходит через зону резания фрезерного станка, лезвия фрезы срезают стружку материала через равные промежутки времени. Поверхности, разрезаемые сбоку фрезы (как при периферийном фрезеровании), поэтому всегда содержат регулярные гребни. Расстояние между гребнями и высота гребней зависят от скорости подачи, количества режущих поверхностей, диаметра фрезы. [4] При узкой фрезе и высокой скорости подачи эти гребни вращения могут значительно изменять качество поверхности .
Процесс торцевого фрезерования в принципе может производить очень плоские поверхности. Однако на практике результат всегда показывает видимые трохоидальные следы, следующие за движением точек на торцевой поверхности фрезы. Эти следы вращения дают характерную отделку торцевой фрезерованной поверхности. Следы вращения могут иметь значительную шероховатость в зависимости от таких факторов, как плоскостность торцевой поверхности фрезы и степень перпендикулярности между осью вращения фрезы и направлением подачи. Часто для улучшения отделки поверхности после удаления основной массы материала используется последний проход с низкой скоростью подачи. При точной торцевой фрезеровке следы вращения будут представлять собой только микроскопические царапины из-за несовершенств режущей кромки.
Фрезерование с помощью Gang относится к использованию двух или более фрез, установленных на одном и том же шпинделе (то есть объединенных) в горизонтально-фрезерной установке. Все фрезы могут выполнять один и тот же тип операции, или каждая фреза может выполнять другой тип операции. Например, если нескольким заготовкам требуется паз, плоская поверхность и угловой паз , хорошим методом для их резки (в контексте, отличном от ЧПУ ) будет фрезерование с помощью Gang. Все готовые заготовки будут одинаковыми, и время фрезерования на одну деталь будет сведено к минимуму. [5]
Фрезерование группами было особенно важно до эпохи ЧПУ , поскольку для производства дублирующих деталей это было существенное повышение эффективности по сравнению с ручным фрезерованием одной детали за одну операцию, а затем сменой станков (или изменением настройки того же станка) для выполнения следующей операции. Сегодня фрезерные станки с ЧПУ с автоматической сменой инструмента и 4- или 5-осевым управлением в значительной степени устраняют практику фрезерования группами.
Фрезерование выполняется с помощью фрезы различной формы, закрепленной в цанге или аналогичном приспособлении, которое, в свою очередь, закреплено в шпинделе фрезерного станка.
Ориентация фрезы является основной классификацией для фрезерных станков. Две основные конфигурации — вертикальная и горизонтальная — относятся к ориентации вращающегося шпинделя, на котором установлена фреза. Однако существуют альтернативные классификации по методу управления, размеру, назначению и источнику питания.
В вертикальном фрезерном станке ось шпинделя ориентирована вертикально. Фрезы удерживаются в шпинделе и вращаются вокруг своей оси. Шпиндель, как правило, можно опустить (или поднять стол, что даст тот же относительный эффект приближения или углубления фрезы в заготовку), что позволяет выполнять врезные резы и сверление. Глубину, на которую лезвия врезаются в заготовку, можно контролировать с помощью регулировочной гайки микрометра . Существует две подкатегории вертикальных фрез: фреза с неподвижной станиной и револьверная фреза.
Некоторые считают, что из двух конструкций револьверные мельницы являются более универсальными.
Существует также третий тип, более легкий и универсальный станок, называемый фрезерно-сверлильным станком. Фрезерно-сверлильный станок является близким родственником вертикального фрезерного станка и довольно популярен в легкой промышленности и среди любителей. Фрезерно-сверлильный станок по базовой конфигурации похож на очень тяжелый сверлильный станок, но оснащен столом XY и гораздо большей колонной. Они также обычно используют более мощные двигатели, чем сверлильный станок сопоставимого размера, большинство из них имеют многоскоростной ременной привод, а некоторые модели имеют головку с редуктором или электронную регулировку скорости. Они, как правило, имеют довольно прочные подшипники шпинделя, чтобы справляться с боковой нагрузкой на шпиндель, которая создается при фрезеровании. Фрезерно-сверлильный станок также обычно поднимает и опускает всю головку, включая двигатель, часто на вертикальной колонне с ласточкиным хвостом (иногда круглой с реечной передачей). Фрезерно-сверлильный станок также имеет большую пиноль, которая обычно блокируется во время фрезерования и отпускается для облегчения функций сверления. Другие отличия, которые отделяют фрезерно-сверлильный станок от сверлильного станка, могут заключаться в тонкой настройке оси Z, более точном ограничителе глубины, возможности блокировки осей X, Y или Z и часто в системе наклона головки или всей вертикальной колонны и узла силовой головки для обеспечения угловой резки-сверления. Помимо размера, основное отличие между этими более легкими станками и более крупными вертикальными фрезами заключается в том, что стол XY находится на фиксированной высоте; ось Z управляется перемещением головки или пиноли вниз к столу X, Y. Фрезерно-сверлильный станок обычно имеет внутреннюю коническую посадку в пиноли для установки цангового патрона, торцевых фрез или патрона Jacobs, аналогичного вертикальной фрезе.
Горизонтальная фреза имеет ту же короткую, но фрезы установлены на горизонтальном шпинделе или оправке, установленной поперек стола. Многие горизонтальные фрезы также оснащены встроенным поворотным столом, который позволяет фрезеровать под разными углами; эта функция называется универсальным столом . В то время как концевые фрезы и другие типы инструментов, доступные для вертикальной фрезы, могут использоваться в горизонтальной фрезе, их реальное преимущество заключается в фрезах, устанавливаемых на оправке, называемых боковыми и торцевыми фрезами, которые имеют поперечное сечение, похожее на круглую пилу, но, как правило, шире и меньше в диаметре. Поскольку фрезы имеют хорошую опору на оправке и имеют большую площадь поперечного сечения, чем концевая фреза, можно выполнять довольно тяжелые резы, обеспечивая высокую скорость съема материала. Они используются для фрезерования канавок и пазов. Простые фрезы используются для формирования плоских поверхностей. Несколько фрез могут быть объединены вместе на оправке для фрезерования сложной формы пазов и плоскостей. Специальные фрезы также могут резать пазы, скосы, радиусы или, по сути, любое желаемое сечение. Эти специальные фрезы, как правило, дороги. Фрезы Simplex имеют один шпиндель, а duplex — два. Также на горизонтальной фрезе легче нарезать шестерни . Некоторые горизонтальные фрезерные станки оснащены устройством отбора мощности на столе. Это позволяет синхронизировать подачу стола с поворотным приспособлением, что позволяет фрезеровать спиральные элементы, такие как гипоидные шестерни.
Универсальный фрезерный станок — это станок с возможностью установки горизонтального или вертикального шпинделя. Последний иногда устанавливается на двухкоординатной револьверной головке, что позволяет направлять шпиндель в любом направлении по желанию. Оба варианта могут приводиться в действие независимо или от одного двигателя через зубчатую передачу. В любом случае, поскольку работа обычно размещается в одном и том же месте для любого типа операции, механизм для неиспользуемого метода убирается с пути. В станках меньшего размера «запасные части» могут быть сняты, в то время как станки большего размера предлагают систему для извлечения неиспользуемых деталей.
Выбор между вертикальной и горизонтальной ориентацией шпинделя в конструкции фрезерного станка обычно зависит от формы и размера заготовки и количества сторон заготовки, которые требуют обработки. Работа, при которой осевое движение шпинделя перпендикулярно одной плоскости, с концевой фрезой в качестве резака, подходит для вертикальной фрезы, где оператор может стоять перед станком и иметь легкий доступ к режущему действию, глядя на него сверху. Таким образом, вертикальные фрезы являются наиболее предпочтительными для работ по прошивке штампов (обработка формы в блок металла). [6] Более тяжелые и длинные заготовки подходят для размещения на столе горизонтальной фрезы.
До появления числового программного управления первыми появились горизонтальные фрезерные станки, поскольку они развивались путем размещения фрезерных столов под шпиндельными бабками токарного типа. Вертикальные фрезы появились в последующие десятилетия, и широко использовались принадлежности в виде дополнительных головок для изменения горизонтальных фрез на вертикальные (а позже и наоборот). Даже в эпоху ЧПУ тяжелая заготовка, требующая обработки с нескольких сторон, поддается горизонтальному обрабатывающему центру, в то время как штамповка поддается вертикальному.
Помимо горизонтальных и вертикальных различий важны и другие:
Фрезерный станок часто называют мельницей среди машинистов . Архаичный термин фрезеровщик был широко распространен в 19-м и начале 20-го века. [7]
Начиная с 1960-х годов термины фрезерный станок и обрабатывающий центр стали перекрываться . Обрабатывающие центры с ЧПУ/ ЧПУ произошли от фрезерных станков, поэтому терминология постепенно развивалась со значительным совпадением, которое сохраняется до сих пор. Различие, если его провести, заключается в том, что обрабатывающий центр — это фрезерный станок с функциями, которых никогда не было у фрезерных станков до ЧПУ , особенно с автоматическим устройством смены инструмента (ATC), которое включает инструментальный магазин (карусель), а иногда и с автоматическим устройством смены паллет (APC). В типичном использовании все обрабатывающие центры являются фрезами, но не все фрезы являются обрабатывающими центрами; только фрезы с ATC являются обрабатывающими центрами.
Большинство фрезерных станков с ЧПУ (также называемых обрабатывающими центрами ) представляют собой вертикальные фрезерные станки с компьютерным управлением и возможностью вертикального перемещения шпинделя вдоль оси Z. Эта дополнительная степень свободы позволяет использовать их для штамповки, гравировки и обработки поверхностей 2,5D , таких как рельефные скульптуры. В сочетании с использованием конических инструментов или шаровидной фрезы это также значительно повышает точность фрезерования без влияния на скорость, что обеспечивает экономически эффективную альтернативу большинству работ по ручной гравировке плоских поверхностей .
Станки с ЧПУ могут существовать практически в любой форме ручного оборудования, например, горизонтальные фрезерные станки. Самые передовые фрезерные станки с ЧПУ , многоосевые станки , добавляют еще две оси в дополнение к трем обычным осям (XYZ). Горизонтальные фрезерные станки также имеют ось C или Q, что позволяет вращать горизонтально установленную заготовку, по сути, позволяя выполнять асимметричную и эксцентриковую обработку . Пятая ось (ось B) управляет наклоном самого инструмента. Когда все эти оси используются совместно друг с другом, на этих станках можно сравнительно легко изготавливать чрезвычайно сложные геометрии, даже органические геометрии, такие как человеческая голова. Но навыки программирования таких геометрий выходят за рамки навыков большинства операторов. Поэтому 5-осевые фрезерные станки практически всегда программируются с помощью CAM .
Операционная система таких машин представляет собой замкнутую систему и функционирует на основе обратной связи. Эти машины были разработаны на основе базовых машин с ЧПУ (числовым управлением). Компьютеризированная форма машин с ЧПУ известна как машины с ЧПУ. Набор инструкций (называемых программой) используется для управления машиной для выполнения требуемых операций. Существует более 100 различных G-кодов и M-кодов. [8] Некоторые очень часто используемые коды, которые используются в программе:
G00 – ускоренный ходG01 – линейная интерполяция инструментаG02 - дуга окружности по часовой стрелке (cw)G03 - дуга окружности против часовой стрелки (ccw)G20 - размеры в дюймахG21 – размеры в ммG28 - возврат в исходную точкуG40 — Отмена компенсации инструментаG41 - Компенсация инструмента слеваG42 - Коррекция инструмента справаG43 - Компенсация длины инструментаG54 - Выбор системы координат №1M03 – запуск шпинделя (по часовой стрелке)M04 – запуск шпинделя (против часовой стрелки)M05 - остановка шпинделяM06 - смена инструментаM08 - охлаждающая жидкость включенаM09 - охлаждение выключеноМ30 – конец программы
Также используются различные другие коды. Станок с ЧПУ управляется одним оператором, называемым программистом. Этот станок способен выполнять различные операции автоматически и экономично.
В связи со снижением цен на компьютеры и программное обеспечение с открытым исходным кодом для ЧПУ , начальная стоимость станков с ЧПУ резко упала.
Принадлежности и режущие инструменты, используемые на станках (включая фрезерные станки), в совокупности называются неисчисляемым существительным «tooling». Существует высокая степень стандартизации инструмента, используемого на фрезерных станках с ЧПУ, и меньшая степень стандартизации на ручных фрезерных станках. Для упрощения организации инструмента в производстве с ЧПУ многие компании используют решение для управления инструментами .
Фрезы для специальных применений поставляются в различных конфигурациях инструмента.
Фрезерные станки с ЧПУ почти всегда используют инструменты SK (или ISO), CAT, BT или HSK. Инструмент SK является наиболее распространенным в Европе, в то время как инструмент CAT, иногда называемый инструментом V-Flange, является старейшим и, вероятно, наиболее распространенным типом в США. Инструмент CAT был изобретен компанией Caterpillar Inc. из Пеории, штат Иллинойс , с целью стандартизации инструмента, используемого на их оборудовании. Инструмент CAT поставляется в диапазоне размеров, обозначенных как CAT-30, CAT-40, CAT-50 и т. д. Номер относится к размеру конуса инструмента по классификации Ассоциации по производственным технологиям (ранее Национальной ассоциации машиностроителей (NMTB)) .
Улучшение CAT Tooling — Bridgeport Taper (BT) Tooling, который выглядит похоже и его легко спутать с CAT Tooling. Как и CAT Tooling, BT Tooling поставляется в различных размерах и использует тот же конус корпуса NMTB. Однако BT tooling симметричен относительно оси шпинделя , чего не скажешь о CAT tooling. Это придает BT tooling большую устойчивость и баланс на высоких скоростях. Еще одно тонкое различие между этими двумя держателями инструментов — это резьба, используемая для удержания тягового стержня. CAT Tooling имеет только дюймовую резьбу, а BT Tooling — только метрическую. Обратите внимание, что это влияет только на тяговый стержень; это не влияет на инструмент, который они могут удерживать. Оба типа инструментов продаются для инструментов как дюймовых, так и метрических размеров.
Инструменты SK и HSK, иногда называемые «инструментами с полым хвостовиком», гораздо более распространены в Европе, где они были изобретены, чем в Соединенных Штатах. Утверждается, что инструменты HSK даже лучше инструментов BT на высоких скоростях. Удерживающий механизм для инструментов HSK размещается внутри (полого) корпуса инструмента и, по мере увеличения скорости шпинделя, расширяется, более плотно захватывая инструмент с увеличением скорости шпинделя. В этом типе инструментов нет тягового штифта.
Для ручных фрезерных станков стандартизация меньше, поскольку существует большее множество ранее конкурирующих стандартов. Более новые и большие ручные станки обычно используют инструменты NMTB. Эти инструменты в некоторой степени похожи на инструменты CAT, но требуют тягового стержня внутри фрезерного станка. Кроме того, существует ряд вариаций инструментов NMTB, которые делают взаимозаменяемость проблематичной. Чем старше станок, тем большее множество стандартов может применяться (например, Morse , Jarno , Brown & Sharpe , Van Norman и другие менее распространенные конусы, специфичные для изготовителя). Однако два стандарта, которые получили особенно широкое распространение, — это Morse #2 и R8, чье распространение было обусловлено популярностью фрез, изготовленных Bridgeport Machines из Бриджпорта, штат Коннектикут . Эти фрезы так долго доминировали на рынке, что «Bridgeport» фактически является синонимом «ручного фрезерного станка». Большинство машин, произведенных в Бриджпорте в период с 1938 по 1965 год, использовали конус Морзе № 2, а начиная примерно с 1965 года большинство использовали конус R8.
Для фрезерных станков существует множество режущих инструментов, включая фрезы, отрезные фрезы, зубчатые фрезы, концевые фрезы и т. д. [9]
Фрезерование карманов считается одной из наиболее широко используемых операций в обработке . Оно широко используется в аэрокосмической и судостроительной промышленности. При фрезеровании карманов материал внутри произвольно замкнутой границы на плоской поверхности заготовки удаляется на фиксированную глубину. Обычно для фрезерования карманов используются концевые фрезы с плоским дном. Сначала выполняется черновая операция для удаления основной массы материала, а затем карман обрабатывается чистовой концевой фрезой. [10] Большинство промышленных фрезерных операций можно выполнить с помощью фрезерования с ЧПУ по 2,5 осям . Этот тип управления траекторией позволяет обрабатывать до 80% всех механических деталей. Поскольку важность фрезерования карманов очень важна, эффективные подходы к обработке карманов могут привести к сокращению времени и стоимости обработки. [11] Фрезерование карманов с ЧПУ может выполняться в основном двумя траекториями инструмента, а именно линейной и нелинейной. [12]
При таком подходе движение инструмента однонаправленное. Примерами линейной траектории инструмента являются зигзагообразные и зигзагообразные траектории.
При зигзагообразном фрезеровании материал снимается как в прямом, так и в обратном направлении. В этом случае резка производится как по вращению шпинделя, так и против него. Это сокращает время обработки, но увеличивает вибрацию станка и износ инструмента .
При зигзагообразном фрезеровании инструмент перемещается только в одном направлении. Инструмент приходится поднимать и убирать после каждого реза, из-за чего увеличивается время обработки. Однако при зигзагообразном фрезеровании качество поверхности лучше.
При таком подходе движение инструмента является многонаправленным. Одним из примеров нелинейной траектории инструмента является контурно-параллельная траектория инструмента.
При таком подходе требуемая граница кармана используется для получения траектории инструмента. В этом случае резец всегда находится в контакте с обрабатываемым материалом. Таким образом, исключается время простоя, затрачиваемое на позиционирование и отвод инструмента. Для крупномасштабного удаления материала широко используется контурно-параллельная траектория инструмента, поскольку ее можно последовательно использовать с методом восходящего или нисходящего резания в течение всего процесса. Существует три различных подхода, которые попадают в категорию генерации контурно-параллельной траектории инструмента. Это:
При таком подходе инструмент движется по постепенно развивающейся спиральной траектории. Спираль начинается в центре обрабатываемого кармана, и инструмент постепенно движется к границе кармана. Направление траектории инструмента постепенно меняется, а локальное ускорение и замедление инструмента сводятся к минимуму. Это снижает износ инструмента. [16]
Фрезерные станки произошли от практики ротационного опиливания, то есть использования круглого резака с зубьями, похожими на напильник, в передней бабке токарного станка . Ротационный опил, а позднее и настоящее фрезерование были разработаны для сокращения времени и усилий, затрачиваемых на ручную опиловку. Полная история развития фрезерных станков, возможно, никогда не будет известна, поскольку большая часть ранних разработок происходила в отдельных мастерских, где для потомков велось мало записей. Однако общие очертания известны, как изложено ниже. С точки зрения истории технологий, очевидно, что наименование этого нового типа обработки термином «фрезерование» было расширением более ранних значений этого слова, обозначавших обработку материалов путем их истирания каким-либо образом (резка, шлифовка, дробление и т. д.). Ротационный опиливание появилось задолго до фрезерования. Хорошо известен ротационный напильник Жака де Вокансона , около 1760 года. [17] [18]
В 1783 году Сэмюэл Рехе изобрел настоящий фрезерный станок. [19] В 1795 году Эли Терри начал использовать фрезерный станок в Плимуте, штат Коннектикут, для производства высоких часов. Используя свой фрезерный станок, Терри первым добился взаимозаменяемых деталей в часовой промышленности. Фрезерование деревянных деталей было эффективным для взаимозаменяемых деталей, но неэффективным для высокой производительности. Фрезерование деревянных заготовок приводит к низкому выходу деталей, поскольку одно лезвие станка приводило к потере зубьев шестерни, когда резец ударял по параллельным волокнам в древесине. Позже Терри изобрел шпиндельный режущий станок для массового производства деталей в 1807 году. Другие часовщики из Коннектикута, такие как Джеймс Харрисон из Уотербери, Томас Барнс из Литчфилда и Гидеон Робертс из Бристоля, также использовали фрезерные станки для производства своих часов. [20]
Очевидно, что фрезерные станки как отдельный класс станков (отдельно от токарных станков, работающих с вращающимися напильниками) впервые появились между 1814 и 1818 годами. Центрами самого раннего развития настоящих фрезерных станков были два федеральных арсенала США ( Спрингфилд и Харперс-Ферри ) вместе с различными частными арсеналами и внутренними подрядчиками , которые делили с ними оборот квалифицированных рабочих. Между 1912 и 1916 годами Джозеф В. Роу , уважаемый отец-основатель историков станков, приписывал Эли Уитни (одному из частных производителей оружия, упомянутых выше) создание первого настоящего фрезерного станка. [21] [22] К 1918 году он считал его «вероятно первым фрезерным станком, когда-либо построенным — безусловно, старейшим из ныне существующих […]». [23] Однако последующие ученые, включая Роберта С. Вудбери [24] и других, [25] улучшили раннюю версию истории Роу и предположили, что такая же заслуга — на самом деле, вероятно, даже большая — принадлежит другим изобретателям, включая Роберта Джонсона из Миддлтауна, штат Коннектикут ; капитана Джона Х. Холла из оружейной фабрики Харперс-Ферри; Симеона Норта из фабрики Staddle Hill в Миддлтауне; Розуэлла Ли из оружейной фабрики Спрингфилда; и Томаса Бланчарда . (Несколько из упомянутых выше людей иногда описываются в Интернете как «изобретатели первого фрезерного станка» или «изобретатели взаимозаменяемых частей». Такие утверждения являются чрезмерно упрощенными, поскольку эти технологии со временем развивались среди многих людей.)
Питер Байда, [25] ссылаясь на статью Эдварда А. Баттисона «Эли Уитни и фрезерный станок», опубликованную в Smithsonian Journal of History в 1966 году, иллюстрирует развенчание образа Уитни как « великого человека » историками технологий, работавшими в 1950-х и 1960-х годах. Он цитирует Баттисона, который приходит к выводу, что «нет никаких доказательств того, что Уитни разработал или использовал настоящий фрезерный станок». Байда говорит: «Так называемая машина Уитни 1818 года, похоже, на самом деле была сделана после смерти Уитни в 1825 году». Байда цитирует предположение Баттисона о том, что первый настоящий фрезерный станок был сделан не Уитни, а Робертом Джонсоном из Миддлтауна. [25]
Конец 19 века стал поворотным моментом в истории станков, поскольку период с 1814 по 1818 год также является периодом, в течение которого несколько современных пионеров ( Фокс , Мюррей и Робертс ) разрабатывали строгальный станок [26] и , как и в случае с фрезерным станком, работа, выполняемая в различных мастерских, не документировалась по разным причинам (отчасти из-за секретности собственности, а также просто потому, что никто не делал записей для потомков).
Джеймс Нейсмит построил фрезерный станок, весьма передовой для своего времени, между 1829 и 1831 годами. [27] Он был приспособлен для фрезерования шести сторон шестигранной гайки, установленной в шестипозиционном индексном приспособлении.
Фрезерный станок, построенный и использовавшийся в мастерской Gay & Silver (он же Gay, Silver, & Co) в 1830-х годах, оказал влияние, поскольку использовал лучший метод вертикального позиционирования, чем более ранние станки. Например, станок Уитни (тот, который Роу считал самым первым) и другие не предусматривали вертикального перемещения колена. Очевидно, что предположение о рабочем процессе, лежащее в основе этого, заключалось в том, что станок будет настроен с помощью прокладок, тисков и т. д. для определенной конструкции детали, а последующие детали не будут требовать вертикальной регулировки (или в лучшем случае будут нуждаться только в прокладке). Это указывает на то, что ранние представления о фрезерных станках были производственными, а не инструментальными .
В те ранние годы фрезерование часто рассматривалось как всего лишь черновая операция, за которой следовала финишная обработка ручным напильником. Идея сокращения ручного напильника была важнее, чем его замена .
Среди ключевых людей в разработке фрезерных станков в эту эпоху были Фредерик У. Хоу , Фрэнсис А. Пратт , Элиша К. Рут и другие. (Эти же люди в ту же эпоху также были заняты разработкой новейших револьверных токарных станков . Опыт Хоу в Gay & Silver в 1840-х годах познакомил его с ранними версиями обоих станков. Его конструкции станков позже были реализованы в Robbins & Lawrence , Providence Tool Company и Brown & Sharpe .) Наиболее успешной конструкцией фрезерного станка, появившейся в эту эпоху, былаLincoln Miller , который, вместо того чтобы быть конкретной маркой и моделью станка, на самом деле является семейством инструментов, созданных различными компаниями по общей конфигурации в течение нескольких десятилетий. Он получил свое название от первой компании, выпустившей его на рынок, George S. Lincoln & Company (ранее Phoenix Iron Works), чей первый станок был построен в 1855 году для оружейной фабрики Colt . [28]
В эту эпоху в конструкции фрезерных станков сохранялось слепое пятно, поскольку различным конструкторам не удалось разработать по-настоящему простые и эффективные средства обеспечения перемещения скольжения по всем трем архетипическим осям фрезерования (X, Y и Z — или, как их называли в прошлом, продольной, поперечной и вертикальной). Идеи вертикального позиционирования либо отсутствовали, либо были недостаточно развиты. Шпиндель фрезера Lincoln можно было поднимать и опускать, но первоначальная идея его позиционирования заключалась в том, чтобы установить его в положение и затем запустить, а не часто перемещать во время работы. Как и револьверный токарный станок, это был станок для серийного производства, в котором каждая квалифицированная настройка сопровождалась обширной довольно низкоквалифицированной операцией.
В 1861 году Фредерик В. Хоу, работая в Providence Tool Company, попросил Джозефа Р. Брауна из Brown & Sharpe найти решение проблемы фрезерования спиралей, таких как канавки спиральных сверл. В то время их обычно подпиливали вручную. [29] ( Спиральное строгание существовало, но отнюдь не было распространено.) Браун спроектировал «универсальный фрезерный станок», который, начиная с первой продажи в марте 1862 года, пользовался огромным успехом. Он решил проблему перемещения по 3 осям (т. е. осям, которые мы теперь называем XYZ) гораздо более элегантно, чем это делалось в прошлом, и позволял фрезеровать спирали с помощью индексирующей головки , подаваемой в координации с подачей стола. Термин «универсальный» был применен к нему, потому что он был готов к любому виду работы, включая работу в инструментальном цехе, и не был так ограничен в применении, как предыдущие конструкции. (Хоу спроектировал «универсальный фрезерный станок» в 1852 году, но изобретение Брауна 1861 года считается новаторским успехом.) [29]
Браун также разработал и запатентовал (1864) конструкцию фасонных фрез, в которых последовательные заточки зубьев не нарушают геометрию формы. [18]
Достижения 1860-х годов открыли шлюзы и положили начало современной практике фрезерования.
В эти десятилетия Brown & Sharpe и Cincinnati Milling Machine Company доминировали в американской области фрезерных станков. Однако сотни других фирм также строили фрезерные станки в то время, и многие из них были значимы в различных отношениях. Помимо широкого спектра специализированных производственных станков, архетипичный многоцелевой фрезерный станок конца 19-го и начала 20-го веков представлял собой тяжелую конструкцию с горизонтальным шпинделем и консолью, с силовыми подачами стола, индексной головкой и прочным верхним рычагом для поддержки оправки. Эволюция конструкции станка была обусловлена не только изобретательским духом, но и постоянной эволюцией фрезерных резцов , которые переживали веху за вехой с 1860 года до Первой мировой войны . [30] [31]
Примерно в конце Первой мировой войны управление станками совершенствовалось различными способами, что заложило основу для более поздней технологии ЧПУ. Координатно -расточной станок популяризировал идеи координатного измерения (измерение всех мест на детали из одной опорной точки); работая в обычном режиме с «десятыми» (десятитысячными дюйма, 0,0001") как повседневной возможностью машины; и используя управление для прямого перехода от чертежа к детали, обходя изготовление кондуктора. В 1920 году новая конструкция копировального аппарата JC Shaw была применена к копировально-фрезерным станкам Keller для продавливания штампа посредством трехмерного копирования шаблона. Это сделало продавливание штампа быстрее и проще, так как штампы были востребованы больше, чем когда-либо прежде, и было очень полезно для больших стальных штампов, таких как те, которые используются для штамповки листов в автомобильной промышленности. Такие станки преобразовывали движения копировального аппарата во входные данные для сервоприводов , которые управляли ходовыми винтами машины или гидравликой. Они также стимулировали разработку гаек ходовых винтов с противолюфтовым механизмом . Все вышеперечисленные концепции были новыми в 1920-х годах, но стали обычным явлением в эпоху ЧПУ/ЧПУ. К 1930-м годам появились невероятно большие и передовые фрезерные станки, такие как Cincinnati Hydro-Tel, которые предвосхитили сегодняшние Фрезерные станки с ЧПУ во всех отношениях, за исключением самого ЧПУ-управления.
В 1936 году Рудольф Баннов (1897–1962) задумал значительное усовершенствование фрезерного станка. [32] Его компания начала производство нового вертикального фрезерного станка с консолью и колонной в 1938 году. Это был фрезерный станок Bridgeport , часто называемый фрезерным станком плунжерного или револьверного типа, потому что его головка имела крепление с подвижным плунжером и вращающейся револьверной головкой. Станок стал настолько популярным, что многие другие производители создали копии и варианты. Более того, его название стало обозначать любой такой вариант . Bridgeport предлагал непреходящие преимущества по сравнению с предыдущими моделями. Он был достаточно маленьким, достаточно легким и достаточно доступным, чтобы стать практичным приобретением даже для самых маленьких предприятий механического цеха, но при этом он был продуманно спроектирован, универсален, хорошо собран и жесток. Его различные направления скользящего и поворотного движения позволяли головке подходить к работе под любым углом. Конструкция Bridgeport стала доминирующей формой для ручных фрезерных станков, используемых несколькими поколениями станочников малых и средних предприятий . К 1980-м годам было построено около четверти миллиона фрезерных станков Bridgeport [32] , и они (и их клоны) производятся и по сей день.
К 1940 году автоматизация с помощью кулачков, например, в винтовых станках и автоматических патронах , уже была очень хорошо развита в течение десятилетий. Начиная с 1930-х годов, идеи, связанные с сервомеханизмами, витали в воздухе, но особенно во время и сразу после Второй мировой войны они начали прорастать (см. также Числовое управление > История ). Вскоре они были объединены с появляющейся технологией цифровых компьютеров . Эта технологическая среда развития, охватывающая период с непосредственного предвоенного периода до 1950-х годов, была подпитана военными капитальными расходами, которые преследовали современные достижения в управлении артиллерией и ракетами и в наведении ракет — других приложениях, в которых люди хотели быстро, точно и автоматически управлять кинематикой / динамикой больших машин. Достаточные расходы на НИОКР, вероятно, не были бы получены в одной только станкостроительной промышленности; но именно для последних приложений были доступны желание и возможность тратить. После начала разработки она была с энтузиазмом применена в управлении станками в одном из многочисленных случаев передачи технологий после Второй мировой войны .
В 1952 году числовое управление достигло стадии разработки лабораторной реальности. Первым станком с ЧПУ был фрезерный станок Cincinnati Hydrotel, модернизированный самодельным блоком управления с ЧПУ. О нем сообщалось в Scientific American [ 33], как и о другом новаторском фрезерном станке, Brown & Sharpe universal, в 1862 году.
В 1950-х годах числовое управление медленно перешло из лабораторного в коммерческое использование . В течение своего первого десятилетия оно имело довольно ограниченное влияние за пределами аэрокосмической работы. Но в 1960-х и 1970-х годах ЧПУ превратилось в ЧПУ, развивались хранилища данных и носители ввода, мощность обработки компьютеров и объем памяти неуклонно увеличивались, а ЧПУ и станки с ЧПУ постепенно распространились из среды огромных корпораций и в основном аэрокосмической работы на уровень средних корпораций и широкого спектра продуктов. Радикальное развитие ЧПУ и ЧПУ в управлении станками глубоко преобразило культуру производства. [34] Детали (которые выходят за рамки этой статьи) значительно развивались с каждым прошедшим десятилетием.
Компьютеры и станки с ЧПУ продолжают быстро развиваться. Революция персональных компьютеров оказала большое влияние на это развитие. К концу 1980-х годов небольшие механические мастерские имели настольные компьютеры и станки с ЧПУ. Вскоре после этого любители, художники и дизайнеры начали приобретать фрезерные и токарные станки с ЧПУ. Производители начали выпускать недорогие станки с ЧПУ, достаточно маленькие, чтобы разместиться на рабочем столе, которые могут резать с высоким разрешением материалы мягче нержавеющей стали. Их можно использовать для изготовления чего угодно: от ювелирных изделий до печатных плат, деталей оружия и даже произведений искусства.
Национальные и международные стандарты используются для стандартизации определений, экологических требований и методов испытаний, используемых для фрезерования. Выбор стандарта, который будет использоваться, является соглашением между поставщиком и пользователем и имеет некоторое значение при проектировании фрезы. В Соединенных Штатах ASME разработала стандарты B5.45-1972 Фрезерные станки и B94.19-1997 Фрезы и концевые фрезы .
Общие допуски включают: +/-0,005" (~0,1 мм) для локальных допусков для большинства геометрий, +/-0,010" (~0,25 мм) для пластика с вариациями в зависимости от размера детали, 0,030" (~0,75 мм) минимальная толщина стенки для металлов и 0,060" (~1,5 мм) минимальная толщина стенки для пластика. [35]
{{citation}}: CS1 maint: постскриптум ( ссылка )