Параметри зрізуваного шару при периферійному фрезеруванні циліндричними фрезами
ЛЕКЦІЯ 19. Параметри зрізуваного шару при периферійному фрезеруванні циліндричними фрезами
19.1 Товщина і ширина зрізуваного шару.
Період часу, за який різальне лезо контактує з оброблюваною поверхнею, називається робочим циклом. Кут повороту леза за час робочого циклу називається кутом контакту. Кут контакту фрези дорівнює центральному куту, який відповідає дузі стикання фрези з заготовкою в площині, перпендикулярній осі фрези (рис. 19.1)
.
Товщина зрізу a – це перемінна відстань між двома послідовними поверхнями різання (утвореними різальними лезами двох суміжних зубців), виміряна в напрямку, перпендикулярному до першої поверхні різання, в точці, що розглядається, тобто товщина зрізу вимірюється в радіальному напрямку і перемінна на протязі всієї дуги стикання фрези з заготовкою.
У циліндричної фрези з прямими зубцями товщина зрізу постійна вздовж всієї довжини зубця (для деякого миттєвого положення зубця) і може бути визначена із трикутника knp, якщо прийняти np за пряму:
kn = kp sin = Sz sin ,
де – миттєвий кут контакту, або кут, що відповідає даному положенню зубця фрези.
При вході зубця (положення I) товщина зрізу дорівнює нулю. При виході зубця (положення IV) товщина зрізу відповідає повному куту контакту , має найбільше значення і знаходиться за залежністю
amax = Sz sin .
Зубець прямозубої фрези входить в оброблювану заготовку і виходить з неї зразу по всій ширині В і його положення в кожну дану мить визначається кутом .
Зубець косозубої фрези (рис. 19.2) входить в заготовку поступово, досягає максимального стикання з нею (коли він перекриває всю її ширину В) і потім поступово виходить із неї. Миттєве положення зубця в цьому випадку характеризується двома кутами: кутом входу 1 і кутом виходу 2:
1I = 2I = 0;
- для положення II кут входу 1II = 0, а кут виходу
2II = (360/D)K'B;
1III = (360/D)KO;
2III = (360/D)K'C;
1IV = (360/D)KN;
2IV =(360/D)K'F.
Товщина зрізу для косозубої фрези розраховується по тій же формулі, що й для прямозубої фрези, але ця товщина буде перемінною як вздовж всієї довжини дуги контакту, так і вздовж всієї довжини активної частини зубця.
Для положення III товщина зрізу:
a1 = Sz sin 1III;
a2 = Sz sin 2III;
- максимальна товщина зрізу
amax = Sz sin .
Ширина зрізу b вимірюється вздовж різального леза і являє собою довжину стикання зубця фрези з заготовкою. Для прямозубої фрези b = В. Для фрези з гвинтовим зубцем ширина зрізу для кожного зубця перемінна.
Площа поперечного перетину зрізу при циліндричному фрезеруванні, яка видаляється одним зубцем прямозубої фрези
f = ab = bSz sin .
Для визначення сумарної площі поперечного перетину зрізу необхідно знати кількість зубців, які одночасно знаходяться в роботі, і миттєвий кут контакту для кожного зубця (рис. 19.3).
Для прямозубої фрези кількість зубців, які одночасно знаходяться в роботі
m = / = z/360,
де – повний кут контакту;
– кут між двома сусідніми зубцями,
= 360/z.
Якщо 1 < m < 2, то одночасно в роботі знаходиться максимум два зубці; якщо 2 < m < 3, то в роботі знаходиться максимум три зубці, і так далі.
Якщо врахувати, що
,
то кількість зубців, які одночасно знаходиться в роботі, буде залежати від співвідношення t/D, діаметра фрези і кількості її зубців. Для конкретної фрези із заданими значеннями D і z кількість зубців m залежить тільки від t.
Аналітично кількість зубців, які одночасно знаходяться в роботі, для фрези з гвинтовим зубцем може бути підрахована за формулою
,
де – осьовий шаг між зубцями.
Таким чином, чим більші t, z, B, і менше D, тим більше m.
19.2 Рівномірність фрезерування
Зубець прямозубої фрези входить в заготовку і виходить із неї зразу по всій ширині. Це призводить до різкої зміни площ поперечного перетину зрізу, а отже, і сил, що діють в процесі різання.
Представимо собі, що в роботі буде знаходитись тільки один зубець прямозубої фрези, тому що зубець, що йшов попереду, вже вийшов із контакту з заготовкою, а наступний за ним зубець тільки починає входити в заготовку. В цьому випадку площа поперечного перетину зрізу буде плавно змінюватись від нуля до максимуму, коли зубець буде зрізати стружку, з наступним різким падінням до нуля, коли зубець вийде із заготовки.
Процес протікає більш спокійно, якщо в роботі знаходиться одночасно два або три зубці.
Однак і при достатньо великій кількості зубців, які одночасно знаходяться в роботі, для прямозубої фрези неможливо отримати рівномірне фрезерування, тобто таке фрезерування, при якому площа поперечного перетину зрізу залишалась би постійною на протязі всього часу оброблення.
Рівномірне фрезерування можливо отримати при певних умовах тільки при роботі фрезою з гвинтовим зубцем, у якої кожне різальне лезо поступово входить в заготовку, а потім поступово виходить із неї.
Площу поперечного перерізу можна вважати постійною протягом всього часу оброблення, коли ширина фрезерування дорівнює осьовому шагу фрези hо або кратна йому в цілих числах, тобто:
, де k – ціле число (1, 2, 3…). (19.1)
Залежність між осьовим hо і торцевим h шагами легко знайти із трикутника KMN (рис. 19.4)
hо = h сtg ,
але
h = D/z,
тоді
. (19.2)
Після підстановки (19.2 ) в (19.1) та враховуючи, що
Шаг гвинтової канавки фрези
H = D ctg
Тому умова рівномірного фрезерування має вигляд
Bz/H = k – ціле число.
19.3 Сили різання
Для прямозубої циліндричної фрези сумарну силу опору R зрізуваного шару можна розкласти на наступні сили: дотичну Pz і радіальну Py або горизонтальну Pг і вертикальну Pв (рис. 19.5).
Дотична сила Pz створює момент опору різанню
M = PzD/2
і згинає оправку. Момент опору M повинен бути переборений крутним моментом, який розвиває електродвигун верстата.
Радіальна сила Py тисне на підшипники шпинделя і згинає оправку. Як наслідок, оправка фрези працює на згин від двох сил: Pг і Py або від їх рівнодіючої R. Крім згинання, на оправку діють і деформації крутіння від моменту M, а тому розрахунок оправок необхідно виконувати на складне навантаження.
По горизонтальній силі Pг виконується розрахунок механізму подачі верстата, сили закріплення заготовки і деталей пристрою.
Вертикальна сила Pв притискує фрезу до заготовки. Сила реакції Pв діє на заготовку і відриває її від столу і прагне підняти стіл. При попутному фрезеруванні, навпаки, сила Pв притискує заготовку до столу, а стіл до напрямних верстата.
При фрезеруванні фрезою з гвинтовим зубцем, окрім сил Pz, Py, Pг і Pв діє ще й осьова сила Pо, напрямок якої залежить від напрямку гвинтової канавки, яка має кут нахилу (рис. 19.6)
Pо = Pz tg .
Вздовж зубця діє ще сила тертя T, яка зменшує силу Pо, а тому для розрахунків рекомендуються наступні формули
Pо = 0,28Pz tg ;
T = 0,72Pz sin .
В залежності від напрямку гвинтової канавки фрези осьова сила Pо або зсуває фрезу з оправки, або притискує її до буртика шпинделя. Сила Pо впливає також на елементи кріплення пристрою, на ходовий гвинт поперечної подачі верстата і його направляючі. Для компенсації осьової сили застосовують набори фрез з різним напрямком гвинтової канавки.
Сила Pz може бути розрахована за емпіричними формулами, але частіше в довідниках приводяться формули для підрахунку потужності в вигляді
Nр = CN txN Sz yN zrN DqN n, кВт.
Звідси
, Н.
Необхідна потужність електродвигуна верстата
Nе = Nр /.
Аналогічно розраховують сили і при торцевому фрезеруванні, при якому діють ті ж сили, що і при циліндричному.
19.4 Зношування основних типів фрез
Циліндричні, кінцеві, шліцові, прорізні і фасонні фрези зношуються в основному по задній поверхні. При грубому обробленні за критерій зношування приймається оптимальний знос, при напівчистовому і чистовому обробленні – технологічний знос. При грубому обробленні сталі величина допустимого зносу циліндричних швидкорізальних фрез hз = 0,4-0,6 мм, при напівчистовому hз = 0,5-0,8 мм. При грубому обробленні чавуна hз = 0,5-0,8 мм, при напівчистовому hз = 0,2-0,3 мм. Для твердосплавних циліндричних фрез hз = 0,5-0,8 мм.
Стійкість циліндричних фрез із швидкорізальної сталі Т = 120-180 хв, для фрез, оснащених твердим сплавом, Т = 180 хв.
При торцевому фрезеруванні повний кут контакту звичайно більший, чим при циліндричному, стружка більший час контактує з передньою поверхнею, що й викликає, поряд із зносом по задній поверхні фрези, деякий знос і по передній поверхні. Найбільш сильно знос по передній поверхні проявляється при обробленні сталей на високих швидкостях різання при товщинах зрізу amax > 0,08 мм і при наявності негативного значення переднього кута; при обробленні чавуна та сталі з невисокими швидкостями різання і максимальними товщинами зрізу amax < 0,08 мм і при наявності негативного переднього кута цей знос незначний. Як і для інших типів фрез, основним і обмежуючим зносом для торцевих фрез є знос по задній поверхні.
Для торцевих фрез із швидкорізальної сталі величинами максимально допустимого зносу при обробленні чавуна і сталі є: hз = 1,5-2 мм при грубому обробленні; hз = 0,3-0,5 мм при напівчистовому.
Для торцевих фрез, що оснащені пластинками твердих сплавів, при обробленні сталей hз = 1-1,2 мм, а при обробленні чавунів hз = 1,5-2 мм.
Для торцевих фрез із швидкорізальних сталей стійкість Т = 120-240 хв, для твердосплавних фрез – Т = 120-420 хв.
19.5 Швидкість різання при фрезеруванні
Експериментальні дослідження показують, що швидкість різання, яку дозволяють різальні властивості фрези, при циліндричному фрезеруванні визначаються за формулою
, м/хв,
де Cv – коефіцієнт, який характеризує матеріал і умови оброблення;
D – діаметр фрези, мм;
T – стійкість фрези, хв;
Sz – подача на один зубець, мм/зубець;
t – глибина різання, мм;
B – ширина фрезерування, мм;
z – кількість зубців фрези;
– кут нахилу гвинтової канавки в град;
q, p, x, y, z, r, n – показники ступеню;
Kv – загальний поправочний коефіцієнт на умови оброблення, які змінилися в порівнянні з тими, для яких приведені значення в таблицях довідника.
Із формули видно, що швидкість різання збільшується із збільшенням діаметра фрези і кута і зменшується із збільшенням стійкості, подачі, глибини різання, ширини фрезерування і кількості зубців фрези.
Вплив діаметра фрези D. Збільшення швидкості різання із збільшенням діаметра фрези пояснюється тим, що із збільшенням діаметру D зменшується товщина зрізу, а отже, зменшується і навантаження на різальну кромку зубця фрези. Крім того, загальна кількість тепла, яке виділилась в цьому випадку, буде менша, тому що при одній і тій же кількості зубців у фрези з більшим діаметром одночасно в роботі буде знаходитись менша кількість зубців, які будуть видаляти і меншу сумарну площу поперечного перетину зрізу. Поряд з меншим тепловиділенням при збільшенні D підвищується тепловідвід в тіло фрези (за рахунок більшої її маси), а також збільшується час, який зубець знаходиться в повітрі, не виконуючи роботи. Все це сприяє зменшенню теплової напруги на зубець фрези, а отже, і підвищенню швидкості різання.
Вплив подачі на зубець Sz. При збільшенні подачі на зубець пропорційно збільшується і товщина зрізу a = Sz sin , що призводить до збільшення сили різання, яка витрачається на стружкоутворення, а отже, до підвищення тепловиділення. Як результат, підвищується термодинамічне навантаження на одиницю довжини різальної кромки, що й зменшує стійкість фрези або швидкість різання при одній і тій же стійкості.
Вплив глибини різання t. При збільшенні глибини різання збільшується повний кут контакту , що збільшує товщину зрізу і час проходження зубця під стружкою. Все це призводить до підвищення тепловиділення і теплової напруженості на одиницю довжини активної частини різальної кромки, а отже, і до зменшення швидкості різання.
Вплив ширини фрезерування B. При збільшенні ширини фрезерування збільшується кількість зубців, які одночасно знаходяться в роботі, і довжина різальної кромки зубця, що приймає участь в стружкоутворенні. Все це призводить до збільшення загального тепловиділення і зменшення швидкості різання.
Вплив кількості зубців z. При збільшенні кількості зубців збільшується сумарна довжина активної різальної частини різальних кромок (кількість зубців, які одночасно знаходяться в роботі), збільшується сумарна площа поперечного перетину зрізу і, відповідно, загальна кількість теплоти, що виділилась. Крім того, сам зубець стає менш масивним, що також сприяє підвищенню температури. Все це призводить до зменшення швидкості різання.
Вплив кута нахилу гвинтової канавки . Збільшення кута нахилу гвинтової канавки призводить до збільшення швидкості різання. При збільшенні від 20 до 60 стійкість виростає в 3-5 разів, причому більш сильніше вплив спостерігається в діапазоні = 36-60, а також під час оброблення твердих і загартованих сталей. Це пояснюється кращими умовами відводу стружки і поліпшенням рівномірності фрезерування.
Залежність між швидкістю і стійкістю при торцевому фрезеруванні описується загальною формулою
V = A/Tm.
При обробленні вуглецевої конструкційної сталі з в = 750 МПа торцевою фрезою з пластинками із твердого сплаву марки Т15К6 з кутом = 60
, м/хв.
При фрезеруванні сталі фрезами із швидкорізальної сталі використовують мастильно-охолоджувальні рідини (в основному 5%-ву емульсію). При обробленні фрезами із пластинами твердого сплаву охолодження не використовується. Це пов’язане з тим, що при фрезеруванні під час зрізання стружки поверхневі шари зубця сильно нагріваються, а при виході зубця із металу різко охолоджуються рідиною. Така часта і різка зміна температури нагрівання призводить до швидкої зміни об’єму, до місцевих напружень і невеликих тріщин на поверхні зубця. Такі тріщини послаблюють різальну кромку зубця фрези, і замість нормального зношування, яким супроводжується фрезерування при відсутності охолодження, починається руйнування зубця з виламуванням по тріщинам, які утворилися, більш великих часток інструментального матеріалу.
Продуктивність чистового фрезерування можна підвищити за рахунок збільшення подачі і використання фрези з допоміжною різальною кромкою, яка має кут 1 = 0 (рис. 19.7). Використання торцевих фрез з пластинами із твердих сплавів, у яких зубці мають 1 = 0 дозволяє обробити поверхню настільки прямолінійною і з настільки низькими параметрами шорсткості, що можливо замінити ручне шабрення механічним обробленням не тільки заготовок із чавуна, але і заготовок із сталі і бронзи.
Для підвищення стійкості і поліпшення параметрів шорсткості обробленої поверхні при торцевому фрезеруванні жароміцних і нержавіючих сталей бажано робити невеликий поворот шпиндельної головки на кут ( 0,01 мм) (рис. 19.8).
19.6 Розрахунок основного технологічного часу при фрезеруванні
Машинний (основний) час при фрезеруванні визначають за формулою
,
де l – довжина оброблюваної поверхні;
– перебіг фрези ( = 1-5 мм, при циліндричному, торцевому несиметричному і торцевому симетричному чорновому фрезеруванні; при торцевому симетричному чистовому фрезеруванні = D);
y – шлях врізання фрези;
h – припуск;
t – глибина різання.
Шлях врізання фрези знаходиться за формулами:
- при циліндричному фрезеруванні (рис. 19.9)
;
- при торцевому симетричному фрезеруванні (рис. 19.10)
;
- при торцевому несиметричному фрезеруванні (рис. 19.11)
.
19.7 Розрахунок найвигідніших режимів при фрезеруванні
Глибина різання. Припуск h бажано видаляти за один прохід, тому h = t. При підвищених вимогах до точності і параметрів шорсткості обробленої поверхні припуск видаляється за два проходи: чорновий t1 і чистовий t2 (t2 = 0,75-2 мм).
Подача. Вихідною величиною подачі при чорновому фрезеруванні є подача на зубець Sz, а при чистовому фрезеруванні – на один оберт фрези Sо, по якій для подальшого використання розраховується подача на один зубець.
Основними факторами, що обмежують вибір максимальної подачі при чорновому фрезеруванні, є оброблюваний матеріал, міцність матеріалу різальної частини фрези, жорсткість системи ВПІД, розміри оброблення, міцність механізму подачі верстата. При чорновому обробленні з метою підвищення продуктивності оброблення необхідно призначати найбільш міцний твердий сплав, що дозволить призначити найбільшу Sz. Якщо за умовами міцності підходять декілька марок твердого сплаву, віддається перевага тій, яка дозволяє вести оброблення на більшій швидкості різання.
Швидкість різання. Швидкість різання розраховується за допомогою експериментальних формул, які наведені в довідковій літературі.
Частота обертів шпинделя. По знайденій швидкості різання розраховують необхідну частоту обертів, яка коректується по кінематичним даним верстата, а потім розраховується дійсна швидкість різання.
Потужність електродвигуна. Розраховується потужність, яка потрібна для виконання різання , потім, з урахуванням коефіцієнту корисної дії – потужність електродвигуна верстата.
Перевірка міцності механізму подачі. При важких умовах різання визначається горизонтальна складова сили різання, по якій виконується перевірка міцності механізму подачі.
Розрахунок машинного часу. Машинний час розраховується по відповідним формулам.
Рисунок 19.1 – Товщина і ширина зрізуваного шару
при фрезеруванні циліндричною прямозубою фрезою
Рисунок 19.2 – Товщина і ширина зрізуваного шару
при фрезеруванні циліндричною косозубою фрезою
Рисунок 19.3 – Миттєві кути контакту для кожного зубця фрези
Рисунок 19.4 – Схема до визначення рівномірності фрезерування
Рисунок 19.5 Сили різання при фрезеруванні
исунок 19.6 – Сили різання при периферійному фрезерування
циліндричною фрезою з гвинтовим зубом
Рисунок 19.7 – Різальна частина зубця фрези з допоміжною
різальною кромкою
Рисунок 19.8 Схема розвороту шпиндельної головки
при фрезеруванні торцевою фрезою
Рисунок 19.11 – Елементи шляху при несиметричному фрезеруванні
торцевою фрезою
Рисунок 19.10 – Елементи шляху при симетричному фрезеруванні
торцевою фрезою
Рисунок 19.9 – Елементи шляху при периферійному фрезеруванні
циліндричною фрезою
Параметри зрізуваного шару при периферійному фрезеруванні циліндричними фрезами