Лекция 16 Фрезы

Фреза – многозубый инструмент, представляющий собой тело вращения, на образующей поверхности или торце которого имеются режущие зубья. Это один из самых распространенных производительных видов инструмента. Большинство видов фрез охвачены ГОСТами. Фрезы применяют для обработки плоскостей, фасонных поверхностей, уступов, пазов, нарезания резьбы и зубьев, прорезки, отрезки. Шероховатость поверхности после фрезерования R_а = 10…0,32 мкм, точность обработки 7…12 квалитет стандартов СЭВ.

Основные типы фрез классифицируются:

1. По способу крепления:

• закрепляемые с помощью хвостовиков (диаметр не превышает 80 мм);

• насадные, закрепляемые на оправках или посадочных концах

шпинделей станков (диаметр фрезы от 40 мм и более).

2. По материалу рабочей части: быстрорежущие, твердосплавные, минералокерамические, сверхтвердые синтетические инструментальные материалы.

3. По конструкции: цельные; составные с приваренной, припаиваемой или приклеиваемой режущей частью; сборные с пластинами, закрепляемыми механическим путем; с ножами, имеющими быстрорежущую или твердосплавную режущую часть; а также со вставками, оснащенными режущими элементами из сверхтвердых материалов.

4. По расположению режущих зубьев относительно оси фрезы:

• фрезы цилиндрические с зубьями, расположенными по поверхности цилиндра;

• фрезы угловые или конические с зубьями, расположенными на конусе;

• фрезы торцевые с зубьями, расположенными в плоскости, перпендикулярной оси фрезы;

• фрезы фасонные с зубьями, расположенными на поверхности с криволинейной образующей.

5. По форме задней поверхности зуба:

• с незатылованным зубом (остроконечным);

• с затылованным зубом,(чаще всего выполненной по спирали Архимеда).

Фрезы с затылованным зубом применяют преимущественно при фасонной (криволинейной) форме режущей кромки, а также при выполнении тяжелых обдирочных работ (дисковые и пальцевые зуборезные фрезы, радиусные, обдирочные (черновые) концевые фрезы, а также отдельные виды резьбонарезных фрез).

Материал корпусов и хвостовиков фрез: сталь 45; 40Х; 50Х; 40ХНМА; 50ХФА. Материал державок сборных фрез – сталь 45; 40Х; У8; 9ХС; 40ХГНМ.

А. Общими конструктивными элементами фрез с незатылованным зубом являются (рис.115):

• наружный диаметр фрезы D;

• число зубьев Z;

• геометрия зубьев и стружечных канавок;

• форма и размеры посадочных элементов: хвостовика для хвостового инструмента и диаметра посадочного отверстия со шпоночным пазом – для насадной фрезы.

Рис. 115. Конструктивные элементы незатылованных фрез:

а – общий вид фрезы; б – фреза с трапециевидным

зубом; в – задняя поверхность зуба очерчена по

радиусу R

С увеличением наружного диаметра фрезы D (рис.115, а) зубья могут быть выполнены более крупными, что позволяет увеличить подачу на зуб и, следовательно, подачу на оборот, улучшается отвод тепла, повышается стойкость и виброустойчивость фрезы, но снижается ее производительность.

Для отдельных типов фрез при определении наружного диаметра можно пользоваться формулами:

Для цилиндрических фрез

.

Для дисковых фрез

.

Для концевых фрез

,

где В_max – максимальная ширина фрезерования, мм;

t_max – максимальная глубина резания, мм;

S_z – подача, мм/зуб;

l – расстояние между опорами державки (для цилиндрических и дисковых фрез) или вылет фрезы относительно шпинделя (для концевых фрез), мм;

y – допустимый прогиб оправки: 0,2 мм при чистовом и 0,4 мм при черновом фрезеровании;

– глубина паза или уступа, мм;

= 10 мм – толщина простановочного кольца и зазор между оправкой и заготовкой.

При выборе наружного диаметра торцевой фрезы можно пользоваться формулой:

D = 1,1В – для фрезы, режущая часть которых изготовлена из быстрорежущей стали;

D = (1,2…1,6)В – для твердосплавных фрез;

полученное значение D округляют до ближайшего стандартного для данного типа фрез.

d_отв = D/2,25, исходя из прочности и жесткости оправки для заданных условий работы фрезы. По полученному значению d_отв выбирают из округленных ближайших стандартных размеров требуемый: 8, 10, 13, 16, 19, 22, 27, 32, 40, 50, 60, 70, 80.

Число зубьев фрезы Z зависит от типа фрезы, характера ее работы (черновая или чистовая), наружного диаметра фрезы, от конструкции (цельная или сборная). Для фрез с большим числом зубьев трудно обеспечить достаточное пространство для размещения стружки и крепежных элементов (для сборных фрез), кроме того, при прочих равных условиях выделение тепла увеличивается, что вызывает снижение стойкости. Поэтому фрезы с большим число зубьев применяются чаще для чистовой обработки, когда снимается тонкий слой материала.

Для предварительного определения числа зубьев фрезы можно пользоваться формулой

,

где к = 2,0…2,8 – коэффициент для фрез с большим числом зубьев (чистовая обработка);

к = 0,6…1,2 – коэффициент для фрез с крупным зубом;

к = 1,0 – коэффициент для концевых фрез.

Из условия равномерности фрезерования число зубьев фрезы можно определить из соотношения

,

где – коэффициент равномерности фрезерования;

– угол контакта фрезы с заготовкой;

t – глубина резания.

Число зубьев фрезы может быть определено по другим соотношениям, исходя из конкретно поставленных условий (тип фрезы, использование эффективной мощности, вид обрабатываемого материала и др.).

Неравномерное размещение зубьев по окружности (рис. 116) способствует снижению колебаний во время резания и улучшает качество обработанной поверхности:

Форма зуба и впадины должны обеспечивать прочность зуба, способствовать получению наибольшего пространства для размещения стружки, допускать возможно большее количество переточек, препятствовать появлению трещин при термической обработке. Наибольшее распространение получили трапециидальная форма зуба (рис.115, б) и со спинкой, выполненной по радиусу R (рис.115, в). Первая чаще всего используется для чистовых фрез, вторая – для черновой обработки. Размеры зубьев и впадина можно определить из соотношений:

– высота зуба для чистовых фрез (при );

– высота зуба для черновых фрез (при );

– угол стружечной канавки;

– угол трапеции;

– угловой шаг зубьев фрезы;

r = 0,5…2,0 – радиус закругления дна впадины (стружечной канавки);

R = (0,3…0,45)D – радиус спинки зуба.

Для проверки биения зубьев часто выполняют ленточку по задней поверхности f, равной 0,02…0,03 мм.

Режущими элементами фрез сборной конструкции могут быть перетачиваемые ножи цельные или оснащенные инструментальным материалом, или неперетачиваемые пластины многогранные, круглые или специальной формы. Отличительной особенностью конструкции сборных фрез является фиксированное расположение режущих элементов относительно корпуса фрезы. Представляют интерес фрезы, работающие по многоступенчатой схеме, когда режущие ножи расположены по винтовой линии: каждый нож расположен на определенном радиусе и высоте, отличных от других ножей. Это позволяет обеспечить разделение повышенного припуска на обработку, что увеличивает производительность.

Рекомендуется широко использовать сборные конструкции фрез, оснащенные многогранными неперетачиваемыми пластинами (четырехгранными, пятигранными, шестигранными, круглыми), которые особо производительны при фрезеровании труднообрабатываемых сталей и сплавов. Такие конструкции могут быть у цилиндрических, торцевых, концевых, дисковых фрез. При обработке труднообрабатываемых и термически обработанных сталей и сплавов, графитизированных бронз применяют цельнотвердосплавные фрезы (червячные, концевые, шпоночные). Используют твердый сплав марок ВК6М, ВК8, ВК10М, ВК15М. Стойкость таких фрез по сравнению с быстрорежущими выше в 5…20 раз. Однако изготовление их дороже.

Углы режущего лезвия – передний угол γ и задний угол α – рассматривают в секущих плоскостях: передний угол – в плоскости, перпендикулярной главной режущей кромке; задний угол – в плоскости, перпендикулярной оси фрезы. Величина их зависит от материала режущей части, от свойств обрабатываемого материала.

Некоторые рекомендации по выбору углов γ и α приведены ниже:

γ = –10°…+25° – общий случай;

γ = –10° – обработка твердосплавной фрезой стали с 800 МПа;

γ = –5° – обработка твердосплавной фрезой стали с 800 МПа;

γ = 5…7° – обработка твердосплавной фрезой чугуна, жаропрочных и коррозионно-стойких сплавов, пластмасс;

γ = 10…15° – обработка быстрорежущей фрезой медных и жаропрочных сплавов, сталей средней твердости;

γ = 20…25° – обработка быстрорежущей фрезой сталей пониженной прочности, алюминиевых сплавов;

α = 10…12° – у большинства типов быстрорежущих фрез;

α = 5…8° – твердосплавные фрезы;

α = 14° – концевые быстрорежущие фрезы;

α = 16…20° – дисковые, пазовые фрезы;

α > 20° – прорезные фрезы.

Фрезы могут быть с наклонными и винтовыми зубьями. Угол наклона ω влияет на направление отвода стружки, равномерность фрезерования, производительность и стойкость фрез. С увеличением угла ω фактически растет величина переднего угла γ, что увеличивает стойкость фрезы (рис.117).

ω

Рис.117. К выбору угла наклона зуба

Угол наклона зубьев у концевых, торцевых и цилиндрических фрез должен быть обратным направлению резания. При обработке пазов и уступов концевыми фрезами направление наклона зуба должно быть одноименным направлению резания. У дисковых двух- и трехсторонних фрез зубья через один выполняются разнонаправленными.

Рекомендуют углы наклона зубьев фрез:

Цилиндрические:

насадные ω = 45…60°;

концевые ω = 30…60°;

мелкозубые ω = 25…30°.

Дисковые двухсторонние и трехсторонние ω = 15…20°.

Торцовые – мелкозубые ω = 25…30°.

Торцовые – со вставными зубьями ω = 10°.

Угол наклона главной режущей кромки λ у концевых и цилиндрических фрез совпадает с углом ω . При тяжелых условиях работы торцевыми фрезами (работа по корке, обработка жаропрочных сплавов) угол λ = 5…20°.

Главный угол в плане φ (рис.118) принимают равным 30, 45, 60, 70 или 90° (из стандартного ряда). Вспомогательный угол в плане φ₁ принимают равным от 0°30´ до 10° (в зависимости от типа фрезы).

Рис.118. К выбору главного и вспомогательного углов в плане

В конструкциях фрез с механическим креплением режущих элементов угол φ может принимать значения, равные 35, 42, 57, 87, 88° (у торцовых фрез).

Для получения фрезеруемой поверхности с меньшим параметром шероховатости в конструкции фрезы могут быть предусмотрены 2-3 зачистных зуба, у которых вспомогательный угол в плане φ₁ = 0°.

Для окончательного выбора диаметра посадочного отверстия (насадные фрезы) или размеров хвостовика (хвостовые фрезы) определяют суммарный момент при изгибе и скручивании:

,

где P_z – максимальная составляющая силы резания при фрезеровании;

l – расстояние между опорами державки или вылет фрезы относительно шпинделя.

По найденному суммарному моменту определяют диаметр посадочного отверстия или средний расчетный диаметр хвостовика. Остальные конструктивные элементы – размеры шпоночного паза, шейки, лапки, центровых отверстий и т.п – определяют по соответствующим ГОСТам для данного типа фрезы и соответствии с размерами отверстия и хвостовика.

Далее рассматриваются конструктивные и геометрические особенности некоторых типов часто применяемых фрез.

Торцевые фрезы

Ими выполняется большинство работ по фрезерованию плоскостей. Могут также обрабатывать пазы.

Фрезы имеют, кроме торцевых кромок, режущие кромки, расположенные на цилиндрической части. Могут быть с мелким зубом – для чистовых работ, и с крупным зубом – для обдирочных работ. Могут быть цельными – из быстрорежущих сталей,– что встречается редко из-за большого расхода материала.

Если торцевая фреза сборная, то у нее могут быть клиновидные рифленые ножи из быстрорежущей стали или из твердого сплава. Твердосплавные пластины могут быть напаяны в корпус.

Изготавливают фрезы диаметрами 100…630 мм.

Объем пространства между зубьями для помещения стружки характеризуется в основном величиной вылета зубьев по торцу. С увеличением вылета объем для стружки возрастает, но одновременно появляется опасность образования вибраций зубьев, что может вызвать выкрашивание и даже поломку пластины твердого сплава. Величина вылета равна 10…25 мм для фрез диаметров 100..630 мм.

Как показали исследования, торцевые фрезы с неравномерным окружным шагом вследствие снижения вибрации позволяют вести обработку с большими сечениями среза по сравнению с обычными фрезами. Производительность повышается до двух раз.

Во ВНИИ разработаны новые конструкции торцевых фрез с неперетачиваемыми круглыми (чашечными) пластинами для использования их на универсально-фрезерных станках.

Очень эффективно могут быть использованы торцевые фрезы с круглыми вращающимися резцами (чашками). Стойкость фрез увеличивается в десятки раз. Преимущества таких фрез связаны:

• с увеличением длины активного контакта режущей кромки инструмента;

• снижением сил трения и температуры в зоне резания;

• непрерывно изменяющимся контактом режущей кромки инструмента, что дает возможность периодически охлаждать режущую кромку.

Во ВНИИ созданы торцевые насадные фрезы D = 80 и D = 120 мм и Z = 10; диаметры чашек d = 10 и 18 мм. Допустимые глубины резания 1,25…2 мм.

Рис.119. Основные геометрические элементы фрезы

D = (1,2…1,6)В, где В ширина фрезерования.

Z = (0,04…0,1)D (4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 22).

Малое число зубьев – чтобы уменьшить мощность, расходуемую на фрезерование.

φ = 45,60…90° (см. рис. 119);

φ₁ = 5°;

γ = –5…–15° – (твердосплавные фрезы – обработка стали);

γ = 5…10° (твердые сплавы, обработка чугуна);

α_п = 12…15° (в нормальной секущей плоскости).

Существуют конструкции однозубых торцевых фрез (станкостроительный завод “Красный пролетарий”), оснащенный СТМ, и многозубых (Рязанский станкостроительный завод), оснащенные сверхтвердым инструментальным материалом. Промышленностью освоен выпуск торцевых фрез, выполненных по кассетному принципу, в том числе с пластинами из поликристаллического сверхтвердого материала. На рис. 120 и 121 показано конструктивное исполнение фрез, соответственно с твердосплавной неперетачиваемой многогранной пластиной и сборной фрезы, выполненной по кассетному принципу.

а )

б) Исполнение кассет

А Б В

Осевая цилиндрическая фреза

Рис.122. Основные геометрические элементы цилиндрической фрезы

D = 50, 63, 70, 80 (рис.122);

Z = ; m = 0,8…2 (крупный зуб: m = 0,8; мелкий зуб: m = 2,0).

(Z = 6…14).

Винтовая стружечная канавка – для равномерного фрезерования.

ω = 25…35° – у стандартных фрез.

Торцовый шаг

.

Осевой шаг (вдоль оси): t_o = t_тctg ω.

γ – в нормальной плоскости N – N: γ = 5…25°;

α – в плоскости, перпендикулярной оси фрезы:

α = 15° – для фрез с крупным зубом;

α = 20° – для фрез с мелким зубом.

Материал режущей части: быстрорежущая сталь и твердый сплав.

Выпускают сборные, цельные, составные фрезы. Существуют конструкции алмазных цилиндрических фрез. Алмазные фрезы применяют для обработки камня. Диаметр фрезы D = 350; 400 мм; ширина фрезы H = 24; 48 мм. На корпус (диск) 1 напаивают плоские алмазные бруски 2 (см.рис.123).

Б. Достоинством фрез с затылованным зубом является неизменность формы режущей кромки после всех переточек по передней поверхности. Задняя поверхность зуба может быть рассмотрена как совокупность бесконечного числа режущих кромок, расположенных в радиальных плоскостях и сдвинутых одна относительно другой. Кроме того, затылованная фреза обеспечивает большее количество переточек, чем незатылованная. К недостаткам затылованных фрез следует отнести невозможность выбора большого числа зубьев (из-за особой формы зуба), то снижает качество фрезерованной поверхности, а также то обстоятельство, что метод переточек по передней поверхности усугубляет биение вершин зубьев по окружности.

В процессе изготовления затылованных фрез задняя поверхность зуба фрезы создается специальным методом обработки, называемым затылованием (рис.124).

При затыловании кинематически согласованы вращательное движение затылуемой фрезы 1, вращательное движение кулачка для затылования 3 и поступательное движение затылующего инструмента 2 (призматического фасонного резца или шлифовального круга, заправленного по фасонному профилю режущей кромки).

В практике как российских, так и ведущих зарубежных фирм в качестве кривой для затылования применяется в основном архимедова спираль из-за простоты изготовления кулачков, так как дл архимедовой спирали величина приращения радиуса-вектора прямо пропорциональна величине приращения полярного угла, что дает возможность механически обработать кулачок на любом станке с вращательным и поступательным движениями, согласованными с этими приращениями. Кроме того, архимедовы кулачки являются универсальными, применимыми для различных диаметров фрез и с разным числом зубьев.

Величина затылования К (рис.124) – это величина подъема спирали, соответствующая окружному шагу зубьев («падение затылка»):

,

где Z – число зубьев затылуемой фрезы;

– задний угол при вершине.

Основными конструктивными и геометрическими элементами затылованной фрезы являются (рис.125):

Р ис. 125. Основные конструктивные и геометрические элементы затылованной фрезы

D – наружный диаметр фрезы;

d_отв – посадочный диаметр;

Z_и – число зубьев фрезы.

Элементы зуба и стружечной канавки:

H – высота зуба;

r – радиус закругления дна стружечной канавки;

m – расстояние между шпоночным пазом и дном стружечной канавки – толщина фрезы в наиболее опасном сечении.

Диаметр посадочного отверстия d_отв можно определить из условия обеспечения достаточной прочности и жесткости оправки:

,

где h – глубина фрезеруемого профиля;

b – ширина фрезеруемого профиля.

Наружный диаметр фрезы D ≈ 2,5d_отв (если не оговорено особыми условиями). Полученные значения округляют в большую сторону из нормального ряда диаметров

.

Число зубьев фрезы Z_и можно определить по формуле:

,

где h₁ = h+(1…3)мм – высота з уба фрезы без учета радиуса закругления дна стружечной канавки;

А – коэффициент, учитывающий условия работы фрезы;

А = 1,3…1,8 – для чистовых фрез;

А = 1,8…2,0 – для черновых фрез.

Число зубьев фрезы с увеличением диаметра D, как правило, уменьшается, так как высота зуба H растет быстрее, чем диаметр, что приводит к падению прочности зуба. Соотношение между наружным диаметром фрезы и числом ее зубьев дано ниже:

Диаметр фрезы, мм:

40…50 55…65 70…80 85…120 130…180 195…230

Число зубьев

18…14 14…12 12 10 9 8

Радиус закругления дна стружечной канавки r принимают равным 1…3 мм.

H = h + K + r – для нешлифованных фрез (рис. 135);

– для шлифованных фрез (шлифуется профиль зуба);

К₁ = (1,2…1,75)К – величина дополнительного затылования;

α_в= 10…12° – задний угол при вершине;

γ = 0° – для чистовых фрез;

γ = 5…10° – для черновых фрез.

Рис.126. Зуб фрезы с нешлифованным (а) и со шлифованным (б) профилем

Угол стружечной канавки θ определяют из условия прочности зуба из ряда 18, 22, 25, 30°. Для резьбонарезной гребенчатой фрезы θ = 45°. Правильность выбора проверяют прочерчиванием.

Условием прочности зуба фрезы будет

,

где С – ширина зуба у основания.

Остальные конструктивные элементы – размеры шпоночного паза, диаметр выточки d_в, длина выточки l_в – определяют в зависимости от диаметра отверстия d_отв.