Фрезерування. Основні типи фрез та їх призначення

ЛЕКЦІЯ 18. Фрезерування

18.1 Призначення фрезерування

Фрезерування є одним із високопродуктивних і розповсюджених методів оброблення матеріалів різанням. Фрезеруванням обробляють зовнішні площі, пази і фасонні поверхні, тіла обертання і зубчасті колеса, різьби, виконують розрізку металу.

Фрезерування (рис. 18.1, а, б) виконується інструментом, який називається фрезою. Фреза – це багатолезовий інструмент, що є тілом обертання, на твірній поверхні якого або на торці є різальні зубці.

Головний рух при фрезеруванні обертальний (його виконує фреза); рух подачі (звичайно прямолінійний) може виконувати як заготовка, так і сама фреза; характер різання – переривчастий.

18.2 Основні типи фрез та їх призначення

Для того, щоб продуктивно і економічно виконувати перераховані вище види робіт, розроблена і використовується широка номенклатура стандартних і спеціальних фрез (рис. 18.2, а, б, в, г, д, є, ж, з). Фрези різних типів розрізняються за зовнішнім виглядом, розмірами і конструкцією і призначені для фрезерування поверхонь певних форм і розмірів.

Циліндричні фрези (рис. 18.2, а) сьогодні використовують обмежено. Але на їх прикладі можна виявити всі особливості і закономірності фрезерування. Визначення геометричних і режимних параметрів циліндричних фрез справедливі для фрез інших різновидів. Циліндричні фрези призначені для установки на горизонтально-фрезерних верстатах при обробленні плоских поверхонь шириною до 120 мм за умови, що ширина обробленої поверхні на заготовці B на 5…6 мм менша довжини робочої частини фрези Bфр. Циліндричні фрези мають базовий отвір із шпонковою канавкою. Надіті на оправку верстата циліндричні фрези затискуються між кільцями з допомогою гайки.

Дискові фрези (рис. 18.2, б, в) мають діаметр D = 60…110 мм і циліндричні базові отвори для закріплення на оправці. Різальні зубці дискових фрез виконуються на циліндричній зовнішній поверхні, а також на одній (односторонні) або на обох (двосторонні) торцевих поверхнях. Призначені дискові фрези для фрезерування канавок різного профілю шириною B = 6…16 мм.

Відрізна фреза (рис. 18.2, г) призначена для розрізки катаних прутків на мірні заготовки на горизонтально-фрезерних верстатах. Зубці цих фрез виконані тільки на зовнішній поверхні . Відрізні фрези мають робочий діаметр D = 60…200 мм і ширину B = 1…5 мм.

Прорізні (шліцові) фрези призначені для фрезерування вузьких щілин та шліців в головках гвинтів і шурупів і на вигляд такі ж, як і відрізні. Фрези мають діаметр D = 40…75 мм і ширину B = 0,2…5 мм.

Кінцеві фрези (рис. 18.2, д, є) мають зовнішній діаметр D робочої частини від 3 до 50 мм. Закріпна частина таких фрез діаметром D < 14 мм циліндрична, а фрез діаметром D > 20 мм – конічна. В діапазоні діаметрів D = 14…20 мм закріпна частина може бути виконана як циліндричною, так і конічною. Основною ділянкою робочої частини кінцевих фрез є циліндрична ділянка довжиною l, якою фрезерується поверхня шириною B (B < l), а також частина торцевої поверхні, на якій розташовані різальні зубці. Кінцеві фрези використовують для оброблення відкритих пазів і копіювально-фрезерного оброблення стінок замкнутих профільних поглиблень та отворів в плоских заготовках. Кінцеві фрези призначені в основному для роботи на вертикально-фрезерних верстатах, але можуть використовуватись і на горизонтально-фрезерних верстатах.

Шпонкові фрези, які подібні до кінцевих фрез, використовуються для фрезерування шпонкових канавок. Стандартні шпонкові фрези мають діаметр D = 3…40 мм і встановлюються на вертикально- і горизонтально-фрезерних верстатах.

Торцеві фрези (рис. 18.2, ж) відрізняються від кінцевих фрез співвідношенням розмірів D/l (для торцевих фрез D/l = 4…6; для кінцевих фрез D/l = 0,2…0,5). Стандартні торцеві фрези мають діаметри D = 60…600 мм і циліндричні отвори для установки на шпинделі верстатів. Призначені вони для оброблення плоских поверхонь, які лежать як в одній, так і в різних за висотою площинах, наприклад на корпусних деталях. Торцевими фрезами великих діаметрів можна за один прохід обробляти заготовки шириною до 500 мм. Використовуються торцеві фрези на потужних горизонтально- і вертикально-фрезерних верстатах, а також на агрегатних верстатах.

Кутові фрези (рис. 18.2, з) призначені для фрезерування профільних кутових канавок, як правило, в інструментальному виробництві. Кутові фрези мають діаметри D = 35…90 мм. Їх використовують на універсально-фрезерних верстатах.

Фасонні фрези мають різний профіль леза. На рис. 18.3, як приклад, показана фреза з випуклим напівкруглим профілем леза. Фасонні фрези призначені для фрезерування канавок і виступів фасонного профілю. Вони мають діаметри D = 40…90 мм. Використовуються на горизонтально-фрезерних верстатах.

18.3 Елементи різальної частини циліндричної та торцевої фрез

Статичний передній кут с циліндричної фрези (рис. 18.4, а, б) розглядається в перетині нормальною січною площиною, яка проходить через дану точку(переріз Pн-Pн). Він знаходиться між дотичною до передньої поверхні і перпендикуляром до статичної площини різання. Для фрез із швидкорізальних сталей с = 10-20.

У циліндричної фрези з гвинтовими зубцями напрямок головної різальної кромки співпадає з напрямком гвинтової лінії і задається кутом нахилу зубця до осі фрези .

Інколи передні кути задають в перерізі головною січною площиною Pс (кут 'с в перерізі Pс-Pс). Для переходу від кута 'с до кута с можна користуватись наступними формулами

tg с = tg 'с cos .

Статичний головний задній кут с у циліндричної фрези розглядається в перерізі головною січною площиною Pс, нормальною до осі фрези (переріз Pс-Pс). Він знаходиться між дотичною до задньої поверхні зубця фрези в точці головної різальної кромки, що розглядається, і статичною основною площиною Pпс. У фрез із швидкорізальної сталі с = 12-30. Збільшене значення заднього кута у фрез в порівнянні з різцями пояснюється тим, що фрези працюють з відносно малими товщинами зрізу, коли радіус закруглення різальної кромки повинен бути мінімальним (щоб зменшити тертя і знос задньої поверхні). Тому величину намагаються зменшити за рахунок збільшення задніх кутів.

Інколи задній кут задають в перерізі нормальною січною площиною Pн (кут нс в перетині Pн-Pн)

tg с = tg нс cos .

Статичний передній кут с у торцевої фрези розглядається в перерізі статичною головною площиною Pс (рис. 18.5), яка проходить через задану точку. Він знаходиться між передньою поверхнею і статичною основною площиною Pvс. Головна різальна кромка фрези спрямована під кутом , який так же, як і в різців, називається головним кутом в плані. Для фрез з пластинками із твердих сплавів с = +5…– 10. Негативне значення кута с виконується на фасці в 1-1,5 мм і використовується при фрезеруванні конструкційних та легованих сталей.

Статичний головний задній кут с розглядається в перерізі головною статичною площиною Pс. Він знаходиться між дотичною до задньої поверхні зубця фрези в точці головної різальної кромки, що розглядається, і статичною площиною різання Pпс. Інколи передній нс і задній нс кут задають в перерізі нормальною січною площиною Pн

tg с = tg нс /sin .

У торцевих фрез із пластинками із твердих сплавів нс = 6-15.

Окрім розглянутих кутів торцеві фрези характеризуються кутами в плані та 1 і кутом нахилу головної різальної кромки (див. рис. 18.5).

Головний кут в плані впливає на товщину зрізуваного шару (рис. 18.6), на співвідношення складових сили різання, які діють на фрезу, на стійкість фрези та якість обробленої поверхні. Чим менший цей кут, тим менша товщина зрізу (a = sz sin ) і навантаження на одиницю довжини різальної кромки, тим вища стійкість і менші параметри шорсткості обробленої поверхні, але і більша осьова складова сили різання. Тому, при роботі з глибиною різання 3-4 мм, = 10-30. Найбільш поширеним є = 60.

Для зміцнення вершини зубця фрези із твердого сплаву, як правило, виконується перехідна кромка f = 1-2 мм під кутом о = /2.

Допоміжний кут в плані 1 виконується для поменшання побічного різання і тертя допоміжної різальної кромки об оброблену поверхню. Для торцевих фрез 1 = 2-10.

Кут нахилу головної різальної кромки с (див. рис. 18.5) впливає на міцність і стійкість зубця; при позитивному його значенні місце входу зубця віддаляється від вершини, яка є найбільш слабкою і відповідальною частиною, зубець входить в заготовку і виходить з неї більш плавно. Але при збільшенні позитивного значення кута с зменшується поздовжній передній кут, що приводить до збільшення сил різання. У торцевих твердосплавних фрез с = 0…+15 (нуль в випадку оброблення жароміцних сталей).

18.4 Схеми фрезерування проти подачі і за подачею

Фрезерування може виконуватись при протилежних напрямках рухів заготовки і фрези та при співпадаючих напрямках. Перший метод називається фрезеруванням проти подачі або зустрічним фрезеруванням, другий – фрезеруванням по подачі або попутним фрезеруванням.

Зустрічне фрезерування (рис. 18.7) характеризується тим, що навантаження на зубець збільшується поступово, тому що товщина зрізу змінюється від нуля при вході до максимуму при виході зубця із оброблюваного металу. Зубець фрези працює з-під корки, “виламуючи” корку знизу; фреза “відриває” заготовку від верстата, піднімаючи також і стіл, збільшуючи тим самим проміжки між столом і напрямними станини, що при великих перетинах зрізу призводить до вібрацій і погіршення параметрів шорсткості обробленої поверхні.

При попутному фрезеруванні (рис. 18.8) заготовка підтискується до столу, а стіл до напрямних станини. Зубець фрези починає працювати відразу з найбільшою товщиною і піддається максимальному навантаженню. При наявності у заготовки корки зубець вдаряється об неї; висока твердість і забрудненість корки призводить в цьому випадку до різкого зниження стійкості фрези. Тому у випадку, коли заготовка має тверду корку, використовують зустрічне фрезерування.

Внаслідок наявності радіусу округлення різальної кромки зубець при зустрічному фрезеруванні починає врізатися не відразу. Спочатку він на деякій ділянці траєкторії проковзує по поверхні, наклепаній зубцем, що йде попереду. Ковзання супроводжується сильним тертям, внаслідок чого спостерігається інтенсивний знос зубця по задній поверхні. Тому при відсутності корки стійкість фрези при зустрічному фрезеруванні менша в порівнянні з попутним; при однаковій же стійкості попутне фрезерування дозволяє працювати з більш високою швидкістю різання, забезпечуючи більш високу продуктивність. Попутне фрезерування забезпечує і більш високу якість обробленої поверхні за рахунок підтискування заготовки до столу, а столу – до напрямних. Але при наявності люфтів в гвинтовій парі столу верстата можлива нерівномірна подача, що призводить до великих поштовхів. Тому у верстатів, які працюють попутним фрезеруванням, використовують спеціальні пристрої: два ходових гвинта, гідравлічна подача столу, спеціальні конструкції маточних гайок.

При торцевому фрезеруванні можливе симетричне і несиметричне фрезерування. При симетричному фрезеруванні ось фрези співпадає з серединою ширини поверхні, яка фрезерується, при несиметричному – не співпадає.

18.5 Особливості процесу фрезерування

Процес утворення стружки при фрезеруванні супроводжується тими ж явищами, що й точіння: деформаціями, наростоутворенням, тепловиділенням, зносом інструменту, і має аналогічні причини їх виникнення. Але процес фрезерування має і деякі особливості:

• При фрезеруванні зубець фрези за один оберт знаходиться під дією стружки відносно малий проміжок часу. Більшу частину оберту він проходить по повітрі, не виконуючи різання. При цьому зубець охолоджується, що позитивно впливає на його стійкість. Для продовження процесу різання зубець повинен знову врізатись в оброблюваний матеріал, що супроводжується ударом по його різальній кромці. Ударне навантаження призводить до зниження стійкості зубця фрези, а в окремих випадках, – до його повного руйнування.
• При зустрічному фрезеруванні, внаслідок наявності округлення різальної кромки, на початку врізання зубець ковзає по зміцненій поверхні різання, що викликає велике тертя і знос по задній поверхні. Після початку стружкоутворення товщина зрізу по мірі переміщення зубця фрези під стружкою весь час буде збільшуватись і набуде свого найбільшого значення перед виходом зубця.

Періодичність роботи зубця фрези, перемінна товщина зрізу, а також непостійна кількість зубців, які одночасно знаходяться в роботі, обумовлюють перемінні значення сил, моментів і потужності, що необхідні для виконання процесу стружкоутворення, і ускладнюють процес фрезерування в порівнянні з іншими методами оброблення різанням.

18.6 Елементи режиму різання при фрезеруванні

Як відмічалось раніше, в процесі фрезерування головним рухом Dr є обертовий рух фрези. Швидкість точок зовнішнього діаметру D фрези являються швидкістю різання (фрезерування), м/хв. При цьому

V = 10– 3 Dn,

де n – частота обертів фрези, об/хв;

D – зовнішній діаметр фрези, мм.

Рівномірний, спрямований перпендикулярно осі обертання фрези, допоміжний рух подачі Ds кількісно задається значенням подачі, яке при фрезеруванні може визначатись величинами:

• подача на зубець Sz, мм/зубець;
• подача на оберт Sо, мм/об

Sо = Sz z,

де z – кількість зубців фрези;

• подача за хвилину Sхв, мм/хв

Sхв = Sо n = Sz z n,

де n – частота обертів фрези.

Значеннями подачі на зубець користуються при теоретичних дослідженнях і розрахунках режимів різання при фрезеруванні. В виробничих умовах, наприклад, при налагоджуванні фрезерних верстатів, використовують подачу за хвилину. Це пов’язане з тим, що у більшості фрезерних верстатів відсутній кінематичний зв’язок між шпинделем, що обертається, і механізмом подачі, який має свій привод.

Ширина фрезерування B. Від цієї величини залежать довжина активної ділянки різальної кромки і, як наслідок, умови силової взаємодії, кількість енергії, що витрачається, і теплоти, яка виділяється. Під шириною фрезерування слід розуміти ширину поверхні, що оброблюється, в напрямку, паралельному осі фрези (за винятком торцевого фрезерування).

Глибина різання t. Під глибиною фрезерування слід розуміти товщину шару металу, який зрізається зубцями фрези і відповідає довжині дуги контактування зубця з оброблюваним металом (за винятком торцевого фрезерування).

Фрезерування. Основні типи фрез та їх призначення