20.2 Фрезерная обработка на станках с чпу
Фрезерование – распространённый вид механической обработки, пригодный практически для любых поверхностей. Универсальные фрезерные станки с ЧПУ обеспечивают возможность перемещения режущего инструмента практически одновременно по трём координатам: X. Y. Z.
Фрезерные операции классифицируются по числу осей станка, которые используются при выполнении данной операции.
Принято разделять оборудование и операции, выполняемые на нём, на 2,5-; 3-; 4-; 5- координатную обработку.
2,5- координатная обработка предусматривает одновременное перемещение инструмента по двум осям. Третья ось служит для выполнения настроечных перемещений подвода и отвода инструмента. Примером 2,5-координатной обработки служит обработка плоских поверхностей, расположенных перпендикулярно к оси инструмента или контурная обработка плоского кулачка.
3-координатная обработка используется при обработке объёмных изделий, требующих перемещения рабочего инструмента одновременно по трём координатам. Основным условием использования 3-координатной обработки является доступность для подвода инструмента к обрабатываемой поверхности.
Остальные виды обработки относятся к специализированным технологическим процессам обработки и требуют использования со станком с ЧПУ специальных дополнительных устройств, обеспечивающих использование дополнительных координат, например, глобусный стол или делительные приспособления, управляемые системой ЧПУ станка. Современные станки типа «обрабатывающий центр» имеют встроенные такие устройства. 4- и 5- координатная обработка позволяет изготавливать детали сложной пространственной формы с одной установки, например, лопатки турбин.
На станках с ЧПУ применяются классические разновидности фрезерования: цилиндрическое, торцовое и смешанное (одновременная обработка детали боковой и торцовой поверхностями концевых фрез).
Элементы контура обрабатываемой поверхности подразделяются на основные и дополнительные. При фрезерной обработке дополнительными элементами являются сопрягающие поверхности с постоянным и ли переменным радиусом сопряжения.
Внутренние сопряжения постоянного радиуса формируются за счёт конфигурации инструмента (радиуса фрезы). С точки зрения технологичности такие сопряжения должны быть одинаковыми на всех участках детали и выполняться типовым инструментом.
Сопряжения переменного радиуса так же должны выполняться типовым инструментом минимально возможного радиуса при условии выдерживания определённого соотношения между этими двумя радиусами.
Вся область фрезеруемой обработки может быть разделена на определённые зоны: открытые, полуоткрытые, закрытые и комбинированные.
Открытая зона имеет ограничение только с одной стороны.
Рис. 20.6 Открытая зона. а-цилиндрическая фреза;
б -торцовая фреза; в -концевая фреза
В полуоткрытых областях перемещения инструмента ограничены как вдоль оси, так и в плоскости, ей перпендикулярной.
В закрытых областях перемещение инструмента ограничено по всем направлениям.
Рис. 20.7 обработка полуоткрытой Рис. 20.8 обработка закрытой
зоны концевой фрезой зоны концевой фрезой
Комбинированные области формируются в результате объединения нескольких областей различных типов из числа описанных выше.
Рис. 20.9 обработка комбинированной
зоны концевой фрезой
Технологические процессы фрезерной обработки предусматривают черновые и чистовые переходы. Для обеспечения наибольшей точности обрабатываемого размера межпереходные припуски определяются по известным методикам для традиционных видов фрезерной обработки. При этом следует учитывать, что даже в случае чистовой обработки, когда припуск минимальный и подача мала, деформации системы СПИД, в которой наиболее слабым звеном является концевая фреза, могут возникать погрешности, превышающие допуск на размер. Погрешности от деформации системы СПИД, связанные с величиной чистового припуска, могут быть уменьшены за счёт выбора правильной схемы фрезерования (по подаче и против подачи). Например, при работе «против подачи» шероховатость и стойкость инструмента ухудшаются, но при этом снижаются деформации фрезы и детали, что позволяет увеличить припуск (до 30% диаметра концевой фрезы).
Производительность и точность фрезерной обработки в определённой степени определяется формированием траектории движения фрезы.
Различают два основных метода формирования траектории: зигзагообразный и спиралевидный.
Зигзагообразный метод характеризуется тем, что инструмент в процессе обработки перемещается по параллельным строчкам со смещением на ширину снимаемого слоя. Переход на соседнюю строку выполняется на границах обрабатываемой области. Этот метод наиболее часто используется при обработке больших площадей, хотя и обладает определённым недостатком - изменяющейся схемой резания (на одной строке – по подаче, на другой – против подачи). Это приводит к колебаниям сил резания и отрицательно сказывается на точности и качестве обработки. Так же следует отметить, что привода подачи станка с ЧПУ постоянно работают в режиме «разгон – торможение», что приводит к некоторому увеличению времени обработки.
Различают несколько разновидностей зигзагообразной схемы обработки: без обхода границ, с проходом вдоль границ в конце обработки, с предварительным обходом границ.
Рис. 20.10 Схема зигзаг. а-без обхода границ;
б-с проходом вдоль границы в конце обработки;
в-с предварительным проходом вдоль границы
Из рассмотренных схем предпочтительна схема б, обеспечивающая более равномерные нагрузки на инструмент и лучшую точность при выполнении зачистного прохода по контуру с постоянной толщиной снимаемого слоя.
При фрезеровании плоских поверхностей так же используется схема Ш- образного перемещения. По этой схеме после выполнения прохода инструмент отводится от обработанной поверхности и на ускоренном ходу возвращается к началу обработки, смещается на шаг, опускается на глубину обработки и выполняет следующий проход. Эта схема имеет те же разновидности, что и зигзагообразная.
Рис. 20.11. е- без обхода границ;
ж –с проходом вдоль границы в конце обработки;
з- с предварительным проходом вдоль границы
Спиралевидный метод предусматривает обработку поверхности круговыми перемещениями инструмента вдоль внешней границы области. Эта схема характеризуется более плавным характером работы инструмента и неизменным направлением фрезерования (по подаче или против подачи).
Спиралевидная схема имеет две разновидности: от центра к периферии или от границы контура к центру. Второй вариант менее пригоден при обработке колодцев с тонким дном, так как в центре возможен подрыв дна в центре. В любом варианте инструмент может перемещаться по часовой стрелке и против часовой при наблюдении со стороны шпинделя.
Рис. 20.12. г- спираль против часовой стрелки;
д- спираль по часовой стрелке
Врезание инструмента в материал перемещением вдоль оси инструмента неприемлем для фрез, не имеющих на торцовой поверхности режущих зубьев, к которым относится большинство концевых фрез. В этом случае может выполняться предварительное засверливание в месте врезания.
Более технологичным является врезание по схеме «спуск», когда выполняется движение инструмента вдоль одной из строк с постепенным его снижением. При обработке контуров врезание выполняется при движении по касательной к контуру в точке начала обработки контура.
Рис. 20.13. Схемы врезания инструмента.
а- засверливанием; б-по касательной
Глубина резания или расстояние между соседними проходами зависит от геометрических параметров инструмента. Максимальное значение определяется зависимостью
Тmax = D-2r-h
Где D – диметр фрезы; r – радиус при вершине режущего органа;
h – перекрытие между проходами.
При объёмном фрезеровании перемещение инструмента ведется одновременно по трём и белее координат. В качестве инструмента чаще всего используются фрезы со сферической рабочей частью. Наибольшую сложность в этом случае представляет расчёт траектории движения инструмента, так как здесь наблюдается точечное касание. Между соседними проходами на обработанной поверхности остаются гребешки, называемые допуском на оребрение Δор.
Рекомендуемые соотношения между допуском на оребрение и радиусами инструмента и обрабатываемой поверхности лежат в пределах:
Δор ≈ 0,01R инструмента ; Δ<< радиус кривизны
Шаг перемещения инструмента ΔS (расстояние между строками) можно определить из следующей зависимости
ΔS = [8Δор/(1/Rинстр – 1/Rрад.кр )]0,5
Рис. 20.14. Схема для расчёта соседних проходов при
обработке вогнутой поверхности
Обход обрабатываемой поверхности может выполняться построчно прямолинейными перемещениями или построчно обходом по контуру объёмного профиля.
При пятикоординатной обработке рабочая поверхность резания инструмента совершает в пространстве относительно детали дополнительные перемещения общего вида – винтовые. Пятикоординатная обработка относится к числу специализированных технологических процессов, поэтому применение её экономически и технологически оправдано для определённых изделий.