Содержание страницы
Фрезерование – высокопроизводительная обработка поверхностей многолезвийным инструментом – фрезой. Фрезерованием обрабатывают горизонтальные, вертикальные и наклонные плоскости, фасонные и винтовые поверхности, нарезают шлицы и зубчатые колеса, получают винтовые канавки и пазы. При фрезеровании главное движение вращения совершает инструмент; поступательное движение подачи придается заготовке в направлении любой из координатных осей.
1. Схемы обработки поверхностей на станках фрезерной группы
Рассмотрим схемы обработки поверхностей на универсальных горизонтально-фрезерном (ГФС; имеет горизонтальную ось вращения фрезы) и вертикально-фрезерном (ВФС; имеет вертикальную ось вращения фрезы) станках.
Горизонтальные плоскости фрезеруют цилиндрическими фрезами на ГФС (рис. 24, а) или торцевыми фрезами на ВФС (рис. 25, а). Горизонтальные плоскости чаще обрабатывают торцевыми насадными фрезами, так как они имеют более жесткое закрепление и обеспечивают плавное, безвибрационное резание. При большой ширине обрабатываемой плоскости используют торцевые фрезы и обработку ведут в несколько последовательных рабочих ходов. Узкие горизонтальные плоскости удобно обрабатывать концевыми фрезами.
Вертикальные плоскости на ГФС обрабатывают торцевыми насадными фрезами (рис. 24, б) или фрезерными головками, а на ВФС – концевыми фрезами (рис. 25, б). Большие по высоте вертикальные плоскости удобнее обрабатывать на ГФС с использованием вертикальной подачи. Обработку небольших по высоте вертикальных плоскостей можно производить на ГФС с помощью концевых или дисковых фрез. Наклонные плоскости небольшой ширины обрабатывают на ГФС одноугловой фрезой.
Широкие наклонные плоскости обрабатывают на ВФС с поворотом шпиндельной головки (рис. 25, в) торцевой насадной или концевыми фрезами. Одновременную обработку нескольких поверхностей (вертикальных, горизонтальных и наклонных) ведут на ГФС (рис. 24, г), установив на оправку набор фрез.
Рис. 24. Обработка плоскостей на ГФС: а – горизонтальных; б – вертикальных; в – наклонных; г – нескольких плоскостей одновременно; д – уступов; Dr – движение резания; Ds – движение подачи
Рис. 25. Обработка на ВФС плоскостей: а – горизонтальных; б – вертикальных; в – наклонных; г – уступов
Рис. 26. Фрезерование пазов: а, б – прямоугольных; в – полукруглых; г – типа «ласточкин хвост»; д – Т-образных; е, ж – шпоночных
Горизонтальные уступы и пазы обрабатывают дисковыми односторонними (рис. 24, д) и трехсторонними (рис. 26, а) фрезами на ГФС или концевыми фрезами (рис. 25, г; 26, б) на ВФС.
Фасонные пазы с криволинейной образующей обрабатывают на ГФС фасонными дисковыми фрезами (рис. 26, в). Пазы типа «ласточкин хвост» или Т-образные обрабатывают на ВФС (рис. 26, г, д). Вначале концевой фрезой получают прямоугольный паз, затем используют концевую одноугловую фрезу или специальную концевую фрезу для Т-образных пазов.
Шпоночные пазы для сегментных шпонок фрезеруют на ГФС дисковой трехсторонней фрезой (рис. 26, е), для прямоугольных шпонок – на ВФС концевой фрезой (рис. 26, ж).
2. Схемы фрезерования
Цилиндрическое и торцевое фрезерование в зависимости от направления движений резания и подачи можно осуществить двумя способами: попутным фрезерованием, когда совпадают направления главного движения и движения подачи, и встречным фрезерованием, когда направления главного движения и движения подачи не совпадают.
При попутном фрезеровании (рис. 27, а) толщина срезаемого слоя изменяется от максимальной до нуля, зуб врезается в заготовку с ударом. Горизонтальная составляющая силы резания направлена по подаче, а вертикальная – вниз, на заготовку. При встречном фрезеровании (рис. 27, б) толщина срезаемого слоя изменяется от нуля до максимальной (зуб плавно врезается в заготовку). Горизонтальная составляющая силы резания направлена против подачи, а вертикальная – вверх.
Рис. 27. Фрезерование: а – попутное; б – встречное; Dr – движение резания; DS пр – движение продольной подачи; Рг, Рв – соответственно горизонтальная и вертикальная составляющие силы резания; Sz – подача на зуб; v – скорость резания
Рациональность использования какой-либо схемы обусловлена требованием к качеству обработки, условиями обработки заготовки и состоянием фрезерного станка. При черновой обработке литых заготовок (особенно литья в песчано-глинистые формы), имеющих твердую поверхностную корку, использование попутного фрезерования нерационально, так как удар зуба фрезы об эту корку приводит к его выкрашиванию или поломке.
Лучше использовать встречное фрезерование. Зуб начинает работу в мягком материале сердцевины заготовки, подходя к корке, он взламывает ее. При чистовом фрезеровании, наоборот, рациональнее использовать попутное фрезерование. Теоретически при встречном фрезеровании резание начинается с нулевой толщины срезаемого слоя, которая постепенно увеличивается. Однако режущая кромка зуба фрезы имеет радиус округления, равный 0,03–0,05 мм. При чистовом фрезеровании толщина резания невелика. В начале резания зуб не режет, а скользит по обрабатываемой поверхности без снятия стружки. При этом создаются значительные напряжения сжатия в поверхностных слоях заготовки, приводящие к значительному наклепу, повышенному истиранию режущей кромки зуба, вибрациям в системе СПИД и плохому качеству обработанной поверхности. При попутном фрезеровании толщина срезаемого слоя невелика, поэтому ударное вхождение зуба в материал заготовки не вызывает существенных колебаний в системе СПИД, что способствует стабильной работе фрезы, а шероховатость обработанной поверхности улучшается на один класс. Особенно эффективно попутное фрезерование при обработке вязких материалов, склонных к наклепу и налипанию.
При обработке встречным фрезерованием горизонтальных плоско стей нежестких заготовок или заготовок относительно небольшой толщины (до 30 мм) вертикальная составляющая силы резания будет отрывать заготовку от стола, это может привести к неравномерности глубины срезаемого слоя (большая погрешность обработки по толщине заготовки) или к большим усилиям на закрепление заготовки (возможны деформации заготовки). Лучше использовать попутное фрезерование, когда вертикальная составляющая силы резания прижимает заготовку к столу.
3. Особенности процесса и режимы резания при фрезеровании
Особенностями процесса фрезерования является прерывистый характер процесса резания каждым зубом фрезы и переменность толщины срезаемого слоя. Каждый зуб фрезы участвует в резании только на определенной части оборота фрезы, остальную часть проходит по воздуху, вхолостую, что обеспечивает охлаждение зуба и дробление стружки.
При цилиндрическом фрезеровании плоскостей работу резания осуществляют зубья, расположенные на цилиндрической поверхности фрезы. При торцевом фрезеровании плоскостей работу резания осуществляют зубья, расположенные на цилиндрической и торцевой поверхностях фрезы. К режимам резания при фрезеровании относят скорость резания, подачу (минутную, на оборот и на зуб), глубину резания и ширину фрезерования В. Скорость резания, мм/мин, рассчитывается как окружная скорость вращения фрезы:
V = πDф n/1 000,
где Dф – наружный диаметр фрезы, мм; n – частота вращения шпинделя станка, мм/об.
Зависимости между подачами: минутной Sм, на оборот So и на зуб Sz:
Sм = Son = Sznz = S2x,
где z – число зубьев инструмента.
Влияние диаметра фрезы на производительность обработки неоднозначно. С увеличением диаметра фрезы повышается расчетная скорость резания при постоянной стойкости; это объясняется тем, что уменьшается средняя толщина срезаемого слоя, улучшаются условия охлаждения зуба фрезы, так как удлиняется время нахождения зуба вне зоны резания.
С целью повышения производительности лучше выбирать фрезы большего диаметра, поскольку с увеличением скорости резания пропорционально увеличиваются частота вращения фрезы и минутная подача (при пропорциональном увеличении числа зубьев фрезы). Возможности увеличения диаметра фрез ограничиваются мощностью и жесткостью станка, размерами инструментального отверстия в шпинделе станка.
4. Виды фрез, их элементы и геометрия
Фреза – многолезвийный инструмент, у которого по окружности или на торце расположены режущие зубья, представляющие собой простейшие резцы. На рис. 28 показаны основные типы фрез, применяемых в машиностроении.
Фрезы подразделяют по типам: цилиндрические (рис. 28, а, б) и торцевые (рис. 28, е), предназначенные для обработки плоских поверхностей; дисковые (рис. 28, в–д), концевые (рис. 28, ж) и угловые – для обработки пазов, канавок и шлицов; фасонные – для обработки фасонных поверхностей; модульные (рис. 28, з) – для нарезания зубьев; червячные (рис. 28, и) – для нарезания зубьев цилиндрических и червячных колес.
Зуб 4 цилиндрической фрезы (рис. 28, а) имеет режущую кромку 2; переднюю 1, заднюю 3 и затылочную 5 поверхности. Между зубьями фрезы находится канавка 6. В сечении фрезы рассматриваются следующие углы: передний γ, задний α, заострения β и резания δ.
Передний угол γ служит для облегчения схода срезаемых элементов стружки и уменьшения их усадки.
При обработке стали γ = 10–20°, чугуна – γ = 10–15°. Для твердых материалов угол γ принимают меньшим, чем для мягких.
Задний угол α выбирают с таким расчетом, чтобы снизить трение между затылочной поверхностью зуба и поверхностью резания. Для различных фрез угол α = 12–25°.
Зубья цилиндрических фрез могут быть прямыми и винтовыми под углом наклона ω к оси фрезы (см. рис. 28, б). У цилиндрических фрез угол ω = 30–40°, у дисковых и торцевых ω = 10–25°.
Фреза изготавливают цельными из инструментальных сталей и сборными, у которых зубья выполняют из быстрорежущих сталей или оснащают пластинками из твердых сплавов и закрепляют в корпусе фрезы пайкой или механически (ГОСТ Р 53413–2009).
Рис. 28. Основные типы фрез: а – цилиндрическая прямозубая, где 1, 3, 5 – соответственно передняя, задняя и затылочная поверхности; 2 – режущая кромка; 4 – зуб; 6 – канавка; α – задний угол; β – угол заострения; γ – передний угол; δ – угол резания; ω – угол наклона зубьев к оси фрезы; б – цилиндрическая с винтовыми зубьями; в – дисковая пазовая; г – дисковая двухсторонняя; д – дисковая трехсторонняя; е – торцевая; ж – концевая; з – пальцевая модульная; и – червячная
Фреза с прямыми зубьями врезается в обрабатываемую поверхность сразу по всей длине зуба, что приводит к переменной (толчковой) нагрузке на станок и некоторому ухудшению качества обработанной поверхности. Фрезы с винтовыми зубьями работают более плавно, так как зубья фрезы врезаются в деталь постепенно, при этом станок нагружен равномернее.
5. Станки фрезерной группы
В условиях единичного и мелкосерийного производства широко используются универсальные консольно-фрезерные станки: горизонтальнофрезерные без поворотного стола; горизонтально-фрезерные с поворотным столом; вертикально-фрезерные.
Рис. 29. Универсальные фрезерные станки: а – горизонтально-фрезерный; б – вертикально-фрезерный; 1 – фундаментная плита; 2 – станина; 3 – коробка скоростей; 4 – хобот; 5 – шпиндельный узел; 6 – поперечные салазки; 7 – стол; 8 – серьга; 9 – поворотные салазки; 10 – продольные салазки; 11 – консоль; 12 – поворотная планшайба; 13 – шпиндель; в – ГФС MMF-125PD
На рис. 29, а показаны основные узлы горизонтально-фрезерного станка с поворотным столом. На фундаментной плите 1 установлена чугунная станина 2, внутри которой расположены отсек для электрооборудования, коробка скоростей 3 и шпиндельный узел 5. По верхним направляющим станины перемещается хобот 4. Хобот может устанавливаться относительно станины с различным вылетом.
Серьга 8, совместно с хоботом обеспечивающая жесткость фрезерной оправки, перемещается по его направляющим и закрепляется гайкой. С помощью винтового домкрата по вертикальным направляющим станины перемещается консоль 11.
По горизонтальным направляющим консоли перемещаются продольные салазки 10, по верхним направляющим которых перемещаются поперечные салазки 6, а на них установлены поворотные салазки 9 и стол 7. Вертикальное, продольное и поперечное движения подачи стола могут осуществляться вручную или коробкой подач, размещенной в консоли. Вращательное движение выходного вала коробки подач преобразуется в поступательное перемещение стола с помощью механизмов «ходовой винт – гайка». На верхней части стола выполнены поперечные Т-образные пазы для установки заготовки или рабочих приспособлений.
На рис. 29, б показаны основные узлы вертикально-фрезерного станка. Эти станки имеют много общих унифицированных узлов и деталей с горизонтально-фрезерными станками, но отличаются от них вертикальным расположением шпинделя 13, который можно поворачивать под углом до 45° в обе стороны с помощью поворотной планшайбы 12. На фундаментной плите 1 установлена чугунная станина 2. Внутри станины расположены отсек для электрооборудования, коробка скоростей. В верхней части станины установ лена поворотная планшайба 12 с фрезерной головкой и шпинделем 13. С помощью винтового домкрата по вертикальным направляющим станины перемещается консоль 11 с продольными 10, поперечными 6 салазками и столом.