Шаг винтовой канавки фрезы

следовательно,

и

Окончательно условие равномерного фрезерования

или

; (15.9)

7) при фрезеровании против подачи (см. рис. 15.10, а) нагрузка на зуб увеличивается постепенно: зуб работает «из-под корки», т.е. подходит к твердому поверхностному слою снизу и как бы «выламывает» его. Но при этом сила, действующая на заготовку, стремится оторвать ее от стола, что увеличивает зазоры между столом и станиной, усиливает вибрации. Большим недостатком является наличие скольжения зуба по наклепанному слою в начальный момент, что вызывает большое трение и ведет к ускоренному износу фрезы. При фрезеровании по подаче (см. рис. 15.10, б) зуб фрезы начинает работать с наибольшей толщиной среза и сразу подвергается максимальной нагрузке. Поэтому такой способ не рекомендуется применять при фрезеровании заготовок с коркой. Если на поверхности заготовки нет твердой и загрязненной «корки», то фрезерование по подаче имеет преимущества: а) увеличивается (примерно в 2…3 раза) стойкость инструмента, так как меньше скольжение зуба и уменьшается общее трение по задней поверхности; б) снижается шероховатость и повышается точность обработанной поверхности, так как заготовка прижимается к столу, а стол к направляющим станины (уменьшаются вибрации); в) снижается мощность, затрачиваемая на резание. Однако обработку методом попутного фрезерования можно производить лишь на станках с повышенной жесткостью в направлении подачи, имеющих устройства для регулирования осевого зазора между винтом и гайкой в пределах 0,1…0,15 мм.

При работе фрезой со спиральными зубьями, также как и при точении, на инструмент и заготовку действует сила Р, которая как диагональ параллелепипеда раскладывается на три взаимно перпендикулярные составляющие силы P_z, P_y и P_x (рис. 15.16.)

Рис. 15.16. Силы резания при работе цилиндрической фрезой

Для осуществления процесса резания к фрезе необходимо приложить силу R₁, преодолевающую сопротивление обрабатываемого материала. Эту силу можно разложить на окружную силу P_z, касательную к траектории движения точки режущей кромки, и радиальную Р_y, направленную по радиусу (рис. 15.16, а). Силу R₁ можно также разложить и на горизонтальную Р_н и вертикальную Р_v составляющие. У фрез с винтовыми зубьями в осевом направлении действует еще осевая сила Р_x (рис. 15.16, б). Из схемы следует, что Р_x = P_ztg .

Однако согласно исследованиям проф. А.М. Розенберга у фрез с винтовыми зубьями, помимо нормальной силы Р_N, вдоль зуба действует еще сила трения Т (рис. 15.16, в), производящая дополнительное осаживание стружки по направлению зуба фрезы. Равнодействующая Р' сил P_N и Т, будучи разложена на касательную и осевую силы, образует с направлением силы Р_z угол меньше угла , вследствие чего Р_x = P_ztg . Величину tg можно принять равной 0,28tg , а потому

Р_x = 0,28P_ztg .

Отсюда следует, что чем больше угол , тем больше величина силы Р_x. Когда сила Р_x достигает очень больших величин, применяют фрезы с разным направлением наклона зубьев (рис. 15.17). В этом случае осевые силы направлены в разные стороны и уравновешивают друг друга.

Рис. 15.17. Набор фрез с разноименным направлением винтовой канавки

Наиболее важной является окружная сила Р_z. По этой силе подсчитывают крутящий момент на шпинделе и эффективную мощность N_e, а также производят расчет на прочность механизмов главного движения.

Осевая сила Р_x = (0,35…0,55)Р_z действует на подшипники шпинделя станка, на крепление заготовки и элементы механизма подачи станка.

Радиальная сила Р_у = (0,6…0,8)Р_z действует на опоры шпинделя станка, создает дополнительный момент трения и изгибает оправку, на которой крепится фреза.

Горизонтальная составляющая Р_н нагружает механизм подачи станка и элементы крепления заготовки.

При встречном фрезеровании Р_н = (1,0…1,2)Р_z, а при попутном фрезеровании Р_н = (0,3…0,9) Р_z.

Для подсчета средней окружной силы существует экспериментальная формула:

Н. (15.10)

Значения коэффициентов и показателей степеней приведены в справочниках по режимам резания. Например, при фрезеровании стали с =750 Н/мм² цилиндрическими и концевыми фрезами

Н.

Из формулы (15.10) следует, что с увеличением B, _, t и z средняя окружная сила увеличивается, а с увеличением D уменьшается. Увеличение силы c увеличением B, , t и z объясняется тем, что с увеличением этих параметров возрастает число зубьев, одновременно находящихся в работе, и суммарная площадь поперечного сечения среза. К увеличению силы приводит также увеличение отрицательного переднего угла, увеличение износа фрезы _, прочности обрабатываемого материала, так как при этих условиях увеличивается работа деформации и трения.

Уменьшение силы с увеличением диаметра фрезы объясняется тем, что при больших D одновременно в работе будет находиться меньшее число зубьев, а также будет уменьшаться толщина среза и площадь поперечного сечения среза. Например, при увеличении D со 100 до 150 мм сила уменьшится примерно на 35…40 %. К уменьшению средней окружной силы приводит также и увеличение угла в плане в диапазоне = 30…60° у торцовых фрез (увеличивается при этом толщина среза).

Характер изменения силы при фрезеровании с изменением скорости резания зависит от тех же факторов, что и при точении.

Зная среднюю окружную силу (в кН) и скорость резания (в м/мин), можно определить мощность, затрачиваемую на фрезерование:

кВт.

Для подсчёта мощности при фрезеровании пользуются обобщённой формулой:

кВт.

Например, для подсчета мощности при фрезеровании цилиндрическими, концевыми и дисковыми быстрорежущими фрезами (Р18) заготовок из стали с =750 Н/мм² и ковкого чугуна с твёрдостью 150 НВ, эта формула приобретает вид:

кВт.

Процессу фрезерования всегда присущи прерывистость и переменность механических нагрузок и, что не менее существенно, резкая переменность теплового режима на каждом участке работающей части зуба фрезы. Поэтому часто имеет место преимущественно механический износ фрез, характеризующийся как микровыкрашиваниями, так и микроскопическими сколами режущих кромок. В настоящее время доказано, что фактором, усиливающим разрушение режущих кромок, является их мгновенное охлаждение (так называемый «тепловой удар») в момент выхода из контакта с заготовкой, в результате чего появляется сетка микротрещин на рабочих поверхностях зуба. Сказанное особенно важно учитывать при рассмотрении износа твердосплавных фрез, но оно сохраняет определённое значение и для фрез из быстрорежущих сталей.

В силу большой роли, которую играет механический износ при фрезеровании, а также потому, что толщина среза здесь всегда не велика, фрезы изнашиваются преимущественно по задним поверхностям, причём при цилиндрическом фрезеровании износ по передней поверхности почти не обнаруживается, а при торцовом фрезеровании хотя и наблюдается, но не приобретает решающего влияния.

Зависимость темпа износа фрез от элементов режима резания в большой степени обусловлена характером влияния элементов режима резания на контактную температуру.

Так же, как и при точении, на контактную температуру наиболее сильно влияет скорость резания, менее сильно толщина среза и еще слабее – ширина среза. В связи с этим, например для цилиндрического фрезерования, можно написать:

.

Так как , то отсюда следует, что наиболее сильно на контактную температуру влияет скорость резания, менее сильно подача на зуб еще слабее глубина резания и наиболее слабо ширина фрезерования. Аналогично перечисленные элементы режима резания влияют и на износ фрез.

В качестве примера приводим эмпирические зависимости, полученные при резании цилиндрической фрезой заготовки из стали 40X:

_,

_.

В условиях торцового фрезерования открытых плоскостей при сохранении постоянными всех элементов режима резания, а также конструктивных параметров, износ их зубьев существенно зависит от взаимного расположения фрезы и заготовки.

В большинстве случаев наиболее рационально заготовку смещать в сторону выхода фрезы. При этом уменьшается срединная толщина среза, направление суммарной силы подачи совпадает с направлением подачи, а также уменьшается скорость нагружения и разгружения зуба при входе и выходе.

Когда величина износа связана с шероховатостью и точностью изготовления деталей, за критерий износа принимают технологический критерий. Величина технологического критерия износа зависит от качества обрабатываемого материала, типа фрезы и жесткости системы СПИД. Этот критерий выражается обычно определенной величиной износа по задней поверхности.

Скорость резания, допускаемая фрезой, зависит от свойств обрабатываемого материала и материала режущей части фрезы, от элементов режима резания, конструкции и геометрии режущей части фрезы.

Общая структурная формула скорости резания при фрезеровании имеет вид:

м/мин, (15.11)

где - коэффициент, характеризующий условия обработки (обрабатываемый металл, материал режущей части фрезы, охлаждение);

- коэффициент, учитывающий влияние качества материала режущего инструмента;

- коэффициент, учитывающий влияние качества обрабатываемого материала;

- коэффициент, учитывающий состояние поверхностного слоя обрабатываемой заготовки (окалина, корка);

- коэффициент, учитывающий влияние угла в плане;

Т - стойкость фрезы в мин.

Значения показателей x_V, y_V, _V, n_V, q_V, m и коэффициентов , , , и определяются опытным путем и обычно приводятся в справочниках по режимам резания.

Рассмотрим влияние основных факторов на скорость резания при фрезеровании.

Влияние подачи s_z и глубины резания t. При увеличении s_z растет толщина среза, работа деформации и трение, что приводит к снижению стойкости и допускаемой скорости резания. С увеличением глубины резания увеличивается угол контакта и соответственно количество зубьев фрезы, находящихся одновременно в работе, и количество выделяющегося тепла.

Влияние диаметра D и числа зубьев фрезы z. При увеличении D уменьшается толщина среза и снижается нагрузка на режущую кромку фрезы. Изменяются также длина дуги контакта, шаг зубьев и масса фрезы. С уменьшением z также увеличивается масса каждого зуба; все это приводит к лучшему теплоотводу и увеличению стойкости фрезы и к повышению скорости резания.

Влияние ширины фрезерования В. При увеличении В растет количество зубьев, участвующих в работе, возрастают суммарная площадь поперечного сечения среза, работа резания и тепловыделение. Поэтому растет износ фрезы и снижается допускаемая скорость резания.

Влияние материала фрезы. Материал фрезы оказывает существенное влияние на допускаемую скорость резания. Если, например, для твердого сплава Т15К6 при обработке стали с = 750 Н/мм² допускаемую скорость резания принять за единицу, т. е. =1, то для сплава ВК6 =1,26.

Влияние стойкости. Скорость резания связана со стойкостью зависимостью

или ,

где Т - период стойкости в мин;

А - постоянный коэффициент, зависящий от условий обработки, материала заготовки и фрезы, сечения среза, геометрических параметров режущей части фрезы, охлаждения и др.;

m - показатель относительной стойкости.

Из приведённой зависимости следует, что чем больше период стойкости, при прочих равных условиях, тем меньше допускаемая скорость резания. Интенсивность уменьшения скорости резания при увеличении стойкости фрезы определяется показателем m, величина которого зависит от условий резания. Для фрез из быстрорежущей стали m = 0,15…0,33, а для твердосплавных фрез m = 0,2…0,6.

Рекомендуемые периоды стойкости для цилиндрических фрез из быстрорежущей стали: Т = 120…180 мин, а для цилиндрических твердосплавных фрез Т=180 мин, для торцовых фрез из быстрорежущей стали Т=120…240 мин, для торцовых твердосплавных фрез Т = 120…420 мин.

Порядок расчёта режимов резания при фрезеровании. Глубину резания выбирают в зависимости от припуска на обработку, мощности и жесткости станка. Припуск выгодно всегда снимать за один проход, если это позволяет мощность станка. На мощных фрезерных станках при работе торцовыми фрезами глубина резания может достигать 25 мм. Обычно глубина резания составляет 2…6 мм. Если требуется высокая точность обработки, то фрезерование ведут в два прохода (черновой и чистовой). При чистовом проходе глубину резания принимают в пределах 0,75…2 мм.

Подача. Чтобы уменьшить машинное время на фрезерование, применяют максимально возможную подачу на зуб фрезы s_z. Определение этой подачи производится в зависимости от шероховатости обработанной поверхности, прочности обрабатываемого материала, прочности зуба фрезы, жесткости системы СПИД. При назначении максимальной технически допустимой подачи пользуются нормативами.

Скорость резания. Соответственно выбранной подаче s_z и периоду стойкости по нормативам или по формуле определяют скорость резания. По найденной скорости резания подсчитывают частоту вращения n, которую корректируют по паспорту станка, и подсчитывают действительную скорость резания:

м/мин.

Минутную подачу определяют по формуле

мм/мин;

ее также корректируют по паспорту станка, после чего определяют действительную подачу на зуб фрезы:

.

В заключение подсчитывают эффективную мощность N_e и сопоставляют с полезной мощностью станка N_ст = N_эд . Если окажется, что N_e > N_ст, то необходимо соответственно понизить скорость резания, обеспечив условие N_e N_ст. После этого подсчитывают машинное время по формуле (15.10).

Ключевые слова и понятия

Фрезерование	Главные углы лезвия (, )
Фреза	Углы в плане
Фреза цилиндрическая	Угол наклона зуба фрезы
Фреза торцовая	Угол наклона режущей кромки
Кинематика фрезерования	Скорость резания
Главное движение	Подача на зуб фрезы
Движение подачи	Подача на оборот
Попутное фрезерование	Толщина среза
Встречное фрезерование	Ширина среза
Симметричное фрезерование	Сила резания, ее составляющие
Несимметричное фрезерование	Мощность резания
Координатные системы	Износ фрез
Основная плоскость	Стойкость фрез
Плоскость резания	Основное (машинное) время
Главная секущая плоскость

Контрольные вопросы

1. Назовите основные виды фрезерования и типы фрез.

2. Каковы кинематические схемы цилиндрического и торцового фрезерования?

3. Дайте определение рабочих поверхностей, режущих кромок и геометрических параметров зубьев цилиндрических и торцовых фрез.

4. Что относится к элементам режима резания при фрезеровании?

5. Что такое сечение среза при фрезеровании? Дайте определение толщины и ширины среза.

6. Какое фрезерование называется встречным и попутным, симметричным и несимметричным?

7. В чем заключается условие равномерного фрезерования?

8. Перечислите особенности процесса резания при фрезеровании.

9. На какие составляющие раскладываются силы резания при торцовом и цилиндрическом фрезеровании? Как влияют различные факторы на окружную силу Р_z? Как рассчитать мощность, потребную на фрезерование?

10. Назовите критерии затупления фрез. Как стойкость фрез зависит от различных факторов?

11. Как рассчитать скорость резания, допускаемую при фрезеровании? Какие факторы влияют на нее?