Лабораторная работа № 2 торцовое фрезерование

Цель работы: ознакомиться со способом торцового фрезерования, геометрическими параметрами торцовой фрезы, осуществить настройку вертикально-фрезерного станка, рассчитать параметры режима резания и время обработки.

1. Содержание работы

1.1. Теоретические сведения. Обработку инструментом, которому сообщается вращательное движение резания при любых направлениях подачи в плоскости, перпендикулярной оси вращения (рис. 2.1), называют фрезерованием.

Рис. 2.1. Принципиальная кинематическая схема (а) фрезерования и схема торцового фрезерования в основной плоскости (б); a) v – вектор скорости резания, v₁ – вектор скорости схода стружки, n – число оборотов фрезы, S_м – вектор подачи, S_ – составляющая подачи нормальная к скорости резания,  – угол между скоростью резания и подачей, 1 – основная плоскость, 2 – рабочая плоскость;

б) 1 – фреза, 2 – деталь, 3 – стружка в основной плоскости

Угол между скоростью резания v и подачей S является угловой координатой, характеризующей положение зуба, называют углом кон­такта .

Особенностью процессов фрезерования в сравнении со строганием является переменность угла контакта . Способы лезвийной обработки с изменяющимся углом  между скоростью резания v и подачей S относят к нестационарному резанию. Это связано с изменением нормальной к скорости резания составляющей подачи S_θ, влияющей на толщину срезаемого слоя.

При строгании, точении, сверлении угол контакта постоянен и равен 90. Поэтому эти способы относят к стационарному резанию.

1.2. Встречное и попутное фрезерование. Фрезерование может осуществляться двумя способами: против подачи, так называемое встречное фрезерование, когда направление подачи противоположно направлению вращения фрезы, и фрезерование по подаче – попутное фрезерование, когда направление подачи и вращение фрезы совпадают (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Встречное (а) и попутное (б) торцовое фрезерование

При встречном фрезеровании нагрузка на зуб возрастает от нуля до максимума; при этом зубья фрезы, действуя на заготовку, стремятся «оторвать» ее от стола станка или приспособления, в котором она закреплена. Такое направление силы вызывает в ряде случаев (при больших припусках на обработку) упругие деформа­ции в системе СПИД (станок–приспособление–инструмент–деталь), что, в свою очередь, приводит к вибрациям и увеличению шероховатости обработанной поверхности. Зубья фрез при этом интенсивно изнаши­ваются, так как в момент врезания в заготовку их задние поверхности трутся об упрочненную, уже обработанную поверхность, преодолевая значительную силу трения.

Преимуществом встречного фрезерования перед попутным является работа зубьев фрезы из-под корки. Режущие лезвия в момент входа в зону хрупкого металла по­вышенной твердости (корки) прекращают контакт своей задней поверхности с за­готовкой, так как происходит скол стружки.

При попутном фрезеровании зуб, врезаясь в материал, начинает работать при максимальной толщине срезаемого слоя и наибольшей нагрузке, что исключает начальное проскальзывание зуба. При попутном фрезеровании полу­чается поверхность с меньшей шероховатостью и более высокой точностью, так как зубьями фрезы во время обработки заготовка прижимается к столу станка, что уменьшает вибрацию.

Учитывая достоинства и недостатки рассмотренных методов, попутное фрезе­рование используют для предварительных и чистовых работ при отсутствии корки, на жестких станках с компенсаторами зазоров в узлах стола. Встречное фрезеро­вание рекомендуется для предварительной обработки, и особенно при работе по корке.

1.3. Координатные плоскости. Для определения действительных углов режущего лезвия, параметров сечения срезаемого слоя используются следующие плоскости: основная плоскость, рабочая плоскость, плоскость резания и плоскость стружкообразования.

Основная плоскость перпендикулярна скорости действительного главного движения. Для торцового фрезерования (см. рис. 2.1) основной плоскостью будет Z0ρ.

Рабочая плоскость содержит векторы скорости резания v и по­- дачи S_м.

Плоскость резания проводится через режущую кромку и скорость резания v. Если режущая кромка криволинейная, то плоскость резания касается режущего лезвия в рассматриваемой точке.

Плоскость стружкообразования (для всей стружки) проходит через перпендикуляр к режущей кромке в плоскости резания и через вектор скорости схода стружки v₁. В данной точке режущей кромки (для элементарного участка стружки шириной b) плоскость стружкообразования перпендикулярна режущей кромке.

1.4. Действительные (кинематические) углы режущего лезвия: угол в плане, задний угол, угол наклона режущей кромки и передний угол – определяются, соответственно, в основной плоскости, рабочей плоскости, плоскости резания и плоскости стружкообразования. В основной плоскости измеряют углы в плане и радиус r закругления вершины (рис. 2.3).

Действительный угол в плане  измеряют в основной плоскости между проекцией режущей кромки и рабочей плоскостью.

Действительный задний угол  измеряют в рабочей плоскости как угол между задней поверхностью и направлением вектора скорости движения резания.

В плоскости резания измеряют угол наклона режущей кромки  – между режущей кромкой и основной плоскостью. При фрезеровании угол  наклона режущей кромки является углом наклона винтового зуба. Соответственно, для прямозубой фрезы угол  равен нулю.

Действительный передний угол γ измеряют в плоскости стружкообразования как угол между основной плоскостью и направлением вектора скорости схода стружки v₁.

1.5. Характеристики режима резания и сечения срезаемого слоя при фрезеровании. К числу основных характеристик режима резания при фрезеровании торцовой фрезой относятся глубина резания t, подачи на оборот S₀, минутная подача S_м, скорость резания v.

Глубина резания t характеризует величину врезания режущей кромки, измеренную перпендикулярно рабочей плоскости (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Действительные углы режущего лезвия и характеристики режима резания при фрезеровании торцовой фрезой

При торцовом фрезеровании на вертикально-фрезерном станке рабочая плоскость расположена горизонтально и глубина резания измеряется перпендикулярно этой плоскости, т. е. вдоль оси вращения фрезы. При цилиндрическом фрезеровании рабочая плоскость расположена вертикально. Глубина резания и в этом случае измеряется вдоль оси вращения фрезы, но в горизонтальной плоскости.

Глубина врезания е измеряется в рабочей плоскости в направлении, перпендикулярном подаче.

Этот параметр рассматривают только для таких способов обработки, в которых угол между векторами скорости резания и подачи изменяется, например, для торцового и цилиндрического фрезерования. Глубина врезания инструмента е вместе с его диаметром D_фр характеризует путь режущего лезвия за один оборот, т. е. часть траектории, которую зуб находится в контакте с деталью.

Для характеристики расположения торцовой фрезы относительно детали целесообразно рассматривать начальную глубину врезания е_н и конечную е_к, отличающиеся друг от друга на ширину фрезерования В. Это позволяет обобщить схемы бокового и лобового фрезерования и описать особенности попутного и встречного фрезерования.

Подача характеризуется несколькими различными параметрами. Скорость подачи, как правило, измеряют в мм/мин и называют минутной подачей S_м.

Кроме минутной подачи S_м используют подачу S_о на один оборот инструмента (или детали) (мм/об), а также подачу на одно режущее лезвие или зуб (мм/зуб) – подачу на зуб S_Z.

Все три перечисленные характеристики измеряют в направлении движения подачи S_м, а следовательно, в рабочей плоскости. Они связаны между собой следующими соотношениями:

(2.1)

, (2.2)

где n – частота вращения, Z – число зубьев (режущих лезвий) инструмента.

Скорость резания v при вращательном движении инструмента рассчитывается по формуле

, (2.3)

где D и n – диаметр и частота вращения инструмента.

При фрезеровании сечение срезаемого слоя рассматривается не только в основной плоскости, но и в рабочей плоскости, так как именно в рабочей плоскости изменение угла контакта θ вызывает изменение толщины срезаемого слоя а (рис. 2.4). При встречном фрезеровании толщина срезаемого слоя в начале цикла равна нулю, затем по мере движения режущего лезвия увеличивается до максимума. При попутном фрезеровании вступление зуба в контакт с заготовкой сопровождается быстрым возрастанием толщины до максимального значения. Затем величина а уменьшается до нуля.

Рис. 2.4. Определение толщины срезаемого слоя в основной (а) и рабочей (б, в) плоскостях при боковом (б) и лобовом (в) фрезеровании торцовой фрезой

Формула для определения толщины срезаемого слоя имеет вид

, (2.4)

где а_м – максимальная действительная толщина срезаемого слоя, θ_max – угол контакта, соответствующий максимальной толщине срезаемого слоя.

Для цилиндрических и торцово-цилиндрических фрез ( = 90 º) фор­мула упрощается:

.

Начальный θ_н и конечный θ_к угол контакта могут быть выражены через известные диаметр фрезы и глубины врезания е_н и е_к:

(2.5)

Приближенное значение ширины срезаемого слоя b вычисляется по формуле

.

При косоугольном резании (т. е. когда угол  не равен нулю) ширина срезаемого слоя будет несколько больше:

, (2.6)

где ψ₁ − угол между диагональю сечения срезаемого слоя и подачей (рис. 2.4,а)

1.6. Конструктивные параметры фрезы. Выбор диаметра и числа зубьев, геометрических параметров фрезы осуществляют применительно к каждому переходу разрабатываемого технологического процесса.

Диаметр фрезы выбирают исходя из ширины обрабатываемой поверхности В. Рациональным является использование инструмента с отношением . Полученную величину округляют и выбирают ближайший диаметр торцовой фрезы по ГОСТу: 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 315; 400 и т. д.

Рациональное число зубьев торцовой фрезы Z, как правило, определяют по эмпирическим формулам в зависимости от диаметра и конструктивных особенностей фрезы без учета количества одновременно работающих зубьев. Часто предполагают, что увеличение числа одновременно работающих зубьев до 2 или 3 желательно, поскольку оно обеспечивает более равномерное фрезерование. Число зубьев фрезы существенно влияет на производительность, точность и другие характеристики торцового фрезерования. C увеличением числа одновременно работающих зубьев происходит существенный рост силы резания и мощности фрезерования. Поэтому в условиях ограничений по силам резания, мощности, крутящему моменту и точности обработанной поверхности предпочтительным является такое число зубьев фрезы, которое обеспечивает одновременную работу только одного зуба.

В общем случае рациональное количество зубьев фрезы назначается исходя из глубины врезания е, ширины фрезерования В и диаметра фрезы D_фр:

. (2.7)

Для бокового фрезерования, т. е. при e_н= 0 (рис. 2.4,в):

.

Для лобового симметричного фрезерования, т. е при e_н = (D_фр–B)/2 (рис. 2.4,в):

Как следует из формул, рациональное число зубьев, обеспечивающее одновременную работу только одного зуба, является функцией отношения ширины фрезерования к диаметру фрезы B/D_фр и зависит не только от диаметра фрезы, но и от расположения инструмента относительно обрабатываемой поверхности.

1.7. Назначение режимов резания. Из большого числа подлежащих определению факторов могут быть выделены: выбор рационального инструментального материала, рациональной формы режущего лезвия и определение глубины резания t, подач S_z, S_мин, угла в плане , скорости резания v, числа оборотов n.

При фрезеровании торцовой фрезой припуск определяется разностью высотных размеров заготовки и детали:

П = (H_{3 max} – H_{д min}). (2.8)

Глубина резания зависит от припуска на обработку и числа проходов, с помощью которых удаляется припуск.

Подачу и радиус закругления вершины режущего лезвия назначают с учетом двух условий: обеспечения требуемой шероховатости обработанной поверхности и обеспечения минимального износа в окрестности вершины резца:

, (2.9)

где r – радиус при вершине резца, R_z – требуемая шероховатость поверхности.

При выборе скорости резания обычно задаются одним из критериев износостойкости инструмента, чаще всего – периодом стойкости.

Для конкретного обрабатываемого материала, толщины срезаемого слоя, прочностных характеристик, геометрии инструмента и др. усло­- вий могут быть заданы ориентировочные значения скорости резания (см. табл. 1.2).

Число оборотов шпинделя (инструмента) определяется по формуле

. (2.10)