Фролов ЭМ.Технология изготовления деталей машин

Фрезерование криволинейной канавки или паза с прямоугольным (рис. 2.2.1, г) или фасонным (рис. 2.2.1, д) профилем в секущей плоскости, нормальной к оси канавки или паза, осуществляется на станке с ЧПУ с пода­ чей детали в соответствии с программой в двух направлениях. Если канавка или паз фрезеруется на поверхности цилиндрической детали, то деталь подается в направлении

своей оси и поворачивается вокруг оси. По существу эти способы следует отнести к мето­ ду прямого копирования. Поэтому к этому методу следует отнести нарезание прямозубых и косозубых зубчатых колес модульными дис­ ковыми или концевыми фрезами. По методу, представленному на рис. 2.2.1, ж, можно фре­ зеровать как вогнутый, так и выпуклый про­ филь. Дисковыми отрезными фрезами разре-

зают прокат или заготовки другого сечения на части (рис. 2.2.1, з).

При торцовом фрезеровании возможны следующие схемы фрезерования: симметрич­ ное (рис. 2.2.2, а), асимметричное с эксцен­ триситетом (рис. 2.2.2, б), асимметричное одностороннее (рис. 2.2.2, в). Вторая и третья схемы торцового фрезерования могут быть со смещением оси детали относительно оси фре­ зы как в направлении выхода зуба фрезы из процесса резания (рис. 2.2.2, б, в), так и в направлении входа.

При фрезеровании цилиндрической фрезой возможны следующие схемы фрезеро­ вания: встречное и попутное. При встречном фрезеровании зуб фрезы перемещается на­ встречу направлению движения подачи детали (рис. 2.2.3, а). При попутном фрезеровании в момент выхода зуба фрезы из процесса реза­ ния направление его движения совпадает с направлением движения подачи детали (рис. 2.2.3, б).

Торцовое фрезерование. Скорость реза­ ния V (м/с) - окружная скорость перемеще­ ния вершины зуба фрезы. Величина v опре­ деляется частотой вращения п (мин-^) и диа­ метром расположения вершин зубьев фрезы /)ф (рис. 2.2.4).

Подача при фрезеровании определяется тремя связанными между собой величинами: подача на зуб фрезы S^ (мм) - подача за

ботке литых или кованных заготовок глубина фрезерования может иметь переменное зна­ чение.

Ширина фрезерования В (мм) - размер обрабатываемого тела, измеренного в торцо­ вой плоскости фрезы в направлении, перпен­ дикулярном подаче.

время поворота фрезы на центральный угол \\f ц; подача на оборот S^ (мм) - подача за

время поворота фрезы на один оборот; ми­ нутная подача S^ (мм) - подача за 1 мин.

S^=S^/z;S,^S^/n;S^=S^/(n.z).

Глубина фрезерования / (мм) - рас­ стояние от обработанной до обрабатываемой поверхности, измеренное в направлении, па­ раллельному оси фрезы. При черновой обра­

Рис. 2.2.3. Схемы фрезерования плоскостей цилинд­ рической фрезой:

а - встречное фрезерование; б - попугаое фрезерование

Процесс резания при торцовом фрезеро­ вании - процесс отделения с поверхности обрабатываемого тела объема металла разме­ рами / по высоте и 5 по ширине. Процесс резания отдельным зубом - процесс отделения от обрабатываемого тела определенного объе­ ма металла с переменным по времени фрезе­ рования сечением а- • Ь^ и длиною, равной

длине траектории перемещения зуба по обра­ батываемому телу. Процесс отделения сни­ маемого объема отдельным зубом происходит путем превращения его в стружку за счет вы­ сокоскоростного пластического формирова­ ния в зоне стружкообразования.

При торцовом фрезеровании каждый зуб внедряется в обрабатываемое тело относи­ тельно предшествующего в направлении по­ дачи на расстояние S . Любая точка актив­ ной части режущей кромки описывает на поверхности обрабатываемого тела трахоиду. В любой точке контакта при измерении в направлении подачи две соседние трахоиды смещены относительно друг друга на величи­ ну S . Ъ связи с тем, что скорость резания

V значительно выше скорости подачи S^,

при практических расчетах трахоиду можно с незначительным допущением заменить дугой окружности. Длина траектории перемещения фрезы по обрабатываемому телу ЛБ определя­ ется углом входа зуба фрезы ч/^^ и утлом вы­ хода \\f^ или углом полного контакта ц/^^.

Глубина фрезерования / (мм) - рас­ стояние от обработанной до обрабатьшаемой поверхности, измеренное в направлении, перпендикулярном вектору подачи в точке врезания зуба в обрабатываемое тело.

Ширина фрезерования В (мм) - размер линии контакта образующего цилиндра фрезы с обрабатываемым телом в направлении, па­ раллельном оси фрезы.

При цилиндрическом фрезеровании прямозубой фрезой каждый зуб входит в кон­ такт с обрабатываемым телом относительно предшествующего по направлению подачи на расстояние S . Любая точка активной части

режущей кромки описывает на поверхности обрабатываемого тела трахоиду. В сечении, параллельном обработанной поверхности и расположенном на любом расстоянии от нее, две соседние трахоиды смещены относительно друг друга на величину S . В расчетах с не­ которым упущением трахоиду можно заме­ нить дугой окружности. Длина траектории перемещения зуба по обрабатываемому телу ЛБ определяется полным углом контакта v|/^ ,

зависящим от глубины фрезерования / и диаметра фрезы D^ :

^п ' ^н ' ^к измеряются в торцовой плос­ кости - плоскости, проведенной через верши­ ны зубьев фрезы нормально к оси фрезы.

В ходе перемещения зуба фрезы по об­ рабатываемому телу, величина мгновенного угла контакта v|/ -, определяющего положение

точки D , изменяется от v|/j^ в момент вреза­ ния до я / 2 в момент пересечения зубом линии, проведенной через ось фрезы, парал­ лельно направлению подачи, и далее от тг / 2 до v|/j^ в момент выхода зуба фрезы из про­

цесса резания.

Цилиндрическое фрезерование. Скорость резания и подача при цилиндрическом фрезе­ ровании характеризуется теми же параметра­ ми, что и при торцовом - значениями v (м/с), S^ (мм), S^ (мм), S^ (мм).

измеряются в торцовой секущей плоскости. Сила, действующая на фрезу, в целом

является результирующей сил, действующих на отдельные зубья, находящиеся в рассмат­ риваемый момент в процессе резания. Вели­ чина результирующей силы непрерывно из­ меняется вследствие изменения суммарной площади сечения срезаемого слоя F^ и изме­ нения основных характеристик процесса ре­ зания для каждого отдельного зуба по длине реза.

На величину силы, действующей на зуб фрезы, влияют те же факторы, что и при ус­ тановившемся резании. Так, сила резания увеличивается с возрастанием глубины реза­ ния / , подачи на зуб S , а также с умень­ шением главного угла в плане (р и уменьша­ ется с ростом скорости резания v и перед­ него угла у .

При торцовом и цилиндрическом фре­ зеровании с винтовыми зубьями результи­ рующая сила резания может быть разложена на тангенциальную Р , осевую Р^ и ради­ альную Р составляющие. Путем выбора гео­ метрии режущих кромок добиваются различ­ ного соотношения Р / Р^.- Так, с увеличени­ ем главного угла в плане при торцовом фре­ зеровании и уменьшением угла наклона ре­ жущего лезвия при цилиндрическом фрезеро­ вании с винтовым зубом отношение Р / Р^

растет и это создает неблагоприятную ради­ альную нагрузку на шпиндель, увеличивая вероятность возникновения вибрации в связи с пониженной жесткостью шпинделя фрезер­ ного станка в радиальном направлении.

Для определения мощности, необходи­ мой для осуществления главного движения (вращения фрезы), нужно знать величину суммарной составляющей силы резания Р

где К^ - удельная сила резания при фрезеро­

вании. Па.

Величина К^ в формуле (2.2.2) пред­ ставляет силу, необходимую для снятия сре­ заемого слоя поперечным сечением 1 мм^, т.е. является удельной силой резания.

Удельная сила резания К^ зависит

главным образом от свойств обрабатываемого материала, геометрических параметров режу­ щего инструмента, прежде всего переднего угла, а также от средней толщины срезаемого слоя:

где А'^т " удельная сила резания при средней толщине срезаемого слоя а =0,2 мм и вели­ чине переднего радиального угла у^ =-7°, Па; ср - средняя толщина срезаемого слоя, мм.

Средняя величина срезаемого слоя по длине реза вычисляется делением заштрихо­ ванной площади (рис. 2.2.5) на длину дуги, описываемой зубом фрезы:

Р ^ : Р ^ ^ - сила, действующая нормально к

режущей кромке (при Х=0) в плоскости, про­ ходящей через ось фрезы:

где 8 - коэффициент, показывающий какую

Рассчитав среднюю толщину среза а

и удельную силу резания К^ для конкретных

условий обработки, по формуле (2.2.2) можно определить тангенциальную силу Р^ ^ .

Для торцового фрезерования с некото­ рым допущением можно определить силу

долю от тангенциальной силы /L ^ составляет сила Р^ ; 8 «0,3...0,35.

Силы

^yc = fxyc^^'^^f^^'

^хс='''дус'=05ф. (2.2.6)

Мощность, необходимая для привода главного движения при фрезеровании (кВт),

Силы, действующие при резании, могут в определенных условиях вызывать сколы режущей кромки инструмента. При этом си­ лой, приводящей к микросколам, является сила, действующая в направлении минималь­ ного сечения (перпендикулярно биссектрисе угла заострения р). На рис. 2.2.6,А эта сила

обозначена как F^ . Путем создания отрица­ тельной фаски на передней поверхности за счет увеличения соотношения Р^ / Р_ мож-

но добиться уменьщения силы F^ (рис. 2.2.6,

б). Многолетняя практика создания таких фасок, особенно при обработке высокопроч­ ных и жаропрочных сталей и сплавов, а также титана и его сплавов подтверждает эффектив­ ность такого способа снижения эффективно­ сти микросколов режущей кромки. Наилуч­ ший результат этот способ дает при черновом фрезеровании, когда фаска имеет размеры 0,3-0,4 мм и заточка под углом -30°, а толщи­ на срезаемого слоя приблизительно в 2 раза превышает размеры фаски.

Процесс фрезерования является преры­ вистым процессом, что в значительной степе­ ни влияет на интенсивность износа зуба фре­ зы. Существенным фактором, определяющим интенсивность износа, являются условия вре­ зания и выхода фрезы из обрабатываемой заготовки.

При торцовом фрезеровании в условиях ударного нагружения величина превышения

сил в момент врезания по сравнению с уста­ новившемся резанием, связана с динамиче­ скими свойствами технологической системы, механическими характеристиками обрабаты­ ваемого материала и геометрическими харак­ теристиками условий врезания режущего клина в обрабатываемый материал.

В зависимости от геометрии инструмен­ та и положения фрезы относительно боковой поверхности заготовки, в которую врезается фреза, начальный контакт зуба фрезы с мате­ риалом заготовки может проходить по точкам

Рис. 2.2.7. Варианты начального контакта зуба фрезы с материалом обрабатываемого тела

С ТОЧКИ зрения темпа нарастания на­ грузки условия врезания ухудшаются по пере­ численному выше ряду вариантов врезания. С другой стороны, изменение условий врезания по перечисленному выше ряду приводит к уменьшению момента сопротивления изги­ бающим нагрузкам, что увеличит вероятность микро- и макросколов.

Конкретные рекомендации по выбору условий врезания зависят от ряда факторов и, прежде всего, от механических свойств обра­ батываемого и инструментального материалов. Движение по перечисленному выше ряду яв­ ляется предпочтительным при обработке вы­ сокопрочных обрабатываемых материалов инструментальными материалами, имеющими повышенную хрупкость. Движение по ряду в обратном направлении является предпочти­ тельным при обработке материалов, имеющих пониженные механические свойства инстру­ ментальными материалами и характеризую­ щимися повышенной прочностью.

Те или иные условия врезания можно обеспечить, меняя геометрию инструмента (передний угол в торцовой секущей плоско­ сти у^ и передний угол в осевой секущей

плоскости YQ), а также расположение фрезы

относительно обрабатываемой заготовки (угол v|/j^). Кроме того, на условия врезания влияет

угол между боковой поверхностью заготовки, в которую врезается фреза, и направлением подачи.

Величина ударной нагрузки при выходе определяется свойствами обрабатываемого материала, размерами площадки износа по задней поверхности, толщиной срезаемого слоя при выходе и углом \\f^ (м/в==90- \\f^)

между боковой поверхностью заготовки и

вектором скорости резания в момент выхода (рис. 2.2.8). Два последних параметра зависят от положения фрезы относительно обрабаты­ ваемой заготовки, причем угол Ц1^ однознач­ но определяется взаиморасположением фрезы и заготовки.

При определенных значениях угла \\/^

при выходе инструмента в обрабатываемом материале образуется опережающая трещина с последующим отрывом стружки (рис. 2.2.8). Значения величины \\f^ , при которых образу­ ется опережающая трещина, главным образом зависит от свойств обрабатываемого материа­ ла и скорости резания. При этом резко сни­ мается нагрузка на передней поверхности, что приводит к резкому возрастанию напряжения от сил, действующих на задней поверхности. Такое нагружение фактически является удар­ ной нагрузкой.

Описанное выше ударное нагружение режущего клина при врезании и выходе фре­ зерного инструмента является причиной мик­ росколов и выкрашиваний режущей кромки, а также образования через определенный пе­ риод трещин на передней и задней поверхно­ стях. Такие трещины расположены парал­ лельно режущей кромке. Образование тре­ щин, расположенных параллельно режущей кромке, может быть следствием пластического деформирования режущего клина.

Описанные выше явления характерны для фрезерования, так как в связи с малой длиной контакта имеют место высокие значе­ ния температуры и нормальных напряжений на участке передней поверхности, прилегаю­ щем к режущей кромке. Трещины в конечном счете ведут к сколу режущей кромки и выходу инструмента из строя.

Скол режущей кромки может происхо­ дить и в результате нормального износа пе­ редней и задней поверхностей. При высоких скоростях резания, когда протекает интенсив­ ное образование лунки, с ростом ее в направ­ лении к режущей кромке через определенный период резания происходит скол по перемыч­ ке.

При цилиндрическом фрезеровании против подачи, когда юаимодействие между зубом фрезы и обрабатываемым телом начи­ нается с нулевой толщины среза, имеет место скольжение зуба инструмента по обработан­ ной поверхности. Сам же процесс резания начинается с того момента, когда толщина срезаемого слоя а- становится соизмеримой с

радиусом скругления режущей кромки р. В период скольжения зуба фрезы по поверхно­ сти, наклепанной в процессе врезания преды­ дущими зубьями, протекает интенсивный процесс трения и изнашивания задней по­ верхности инструмента. Поэтому износ по задней поверхности принимают обычно в качестве критерия износа зуба фрезы.

Периодические, происходящие с очень высокой скоростью, нагрев инструмента во время рабочего хода и охлаждение во время холостого, приводят к появлению термиче­ ских напряжений, уровень которых при опре­ деленных условиях может превысить предел прочности режущего материала. В этом случае могут возникать так называемые гребенчатые трещины, расположенные перпендикулярно к режущей кромке. Такие трещины, совместно с другими негативными факторами, интенси­

фицируют микро- и макросколы и снижают работоспособность инструмента.

Устанавливающиеся во время рабочего хода адгезионное взаимодействие обрабаты­ ваемого и инструментального материалов может вызвать налипание на передней по­ верхности контактной зоны части или всей стружки. Такое явление наиболее часто про­ является при обработке вязких материалов, например, сталей аустенитного класса. При врезании взаимодействие этих налипших объ­ емов с контактными поверхностями и режу­ щей кромкой может приводить к микро- и макросколам. Это явление в значитель­ ной степени может быть устранено путем уменьшения толщины среза на выходе инст­ румента (за счет смещения фрезы), а также установкой на боковой поверхности заготовки пластины из чугуна, что способствует устра­ нению налипших объемов с режущей пласти­ ны.

Описанные выше особенности фрезер­ ной обработки значительно снижают работо­ способность инструмента (прежде всего твер­ досплавного). На рис. 2.2.9 приведены зави­ симости, позволяющие сравнить установив­ шееся (прямая 7) и прерывистое резание (прямая 2), совершаемые в одинаковых усло­ виях. По оси абсцисс отмечена длина пути резания L , в которую не входит длина пути холостого хода. Подтверждением решающей роли входа - выхода является прямая 3, поло­ жение которой свидетельствует о большой интенсивности износа при увеличении числа входов - выходов.

В табл. 2.2.4 даются некоторые практи­ ческие рекомендации по предотвращению или уменьшению негативных явлений, часто встречающихся при фрезеровании.

С целью достижения максимальной производительности обработки металлов ре­ занием все конструкционные металлы и спла­ вы разделены на группы (табл. 2.2.3) для под­ бора оптимальных инструментальных мате­ риалов (табл. 2.2.5) и геометрии инструмента (табл. 2.2.6), а также назначения наиболее рациональных режимов резания. Обрабаты­ ваемые материалы классифицированы в зави­ симости от химического состава, термической

обработки, твердости и временного сопротив­ ления при растяжении. Такая система деле­ ния металлов на группы принята во всех промышленно развитых странах.

Величина главного угла в плане связана с видом фрезерования и соответственно с конструкцией фрезы. Диапазон значений этого угла дан только для торцовых фрез. В общем случае следует выбирать меньшие зна­ чения. С уменьшением главного угла в плане снижается допустимая глубина резания для пластины данного размера, увеличиваются все составляющие силы резания, а следовательно, и расходуемая мощность.