Фрезерование представляет вид обработки резанием при помощи инструмента, называемого фрезой.
Фреза
является режущим инструментом с несколькими зубьями, каждый из которых представляет собой простейший резец, как это показано на рис. 4.
Фреза при вращении врезается зубьями в надвигающуюся на нее заготовку и каждым зубом срезает с ее поверхности стружку. После окончания прохода фреза снимет с обрабатываемой
поверхности заготовки слой металла. Поверхность, полученная после прохода фрезы, называется обработанной
поверхностью. Поверхность, образуемая на обрабатываемой заготовке непосредственно режущей кромкой фрезы, называется поверхностью резания.
В зависимости от расположения оси фрезы относительно обрабатываемой поверхности различают фрезерование цилиндрической
фрезой (рис. 5, а) и торцовой
фрезой (рис. 5, б).
Как видно из рис. 5, фреза вращается вокруг ее оси, а заготовка поступательно движется либо параллельно горизонтальной оси (рис. 5, а), либо перпендикулярно вертикальной оси (рис. 5, б) фрезы.
Вращательное движение фрезы называется главным движением
, а поступательное движение заготовки - движением подачи
. Оба эти движения должны осуществляться фрезерным станком.
Главное движение, т. е. вращение фрезы, определяется числом оборотов шпинделя станка в минуту, подача определяется величиной (минутного перемещения стола станка с закрепленной на нем заготовкой относительно фрезы.
На рис. 6 показаны некоторые основные типовые операции, выполняемые на фрезерных станках с применением различного типа фрез. Эти работы не охватывают всего многообразия фрезерных операций, но они определяют тот объем знаний, который получит учащийся после окончания обучения в училище и присвоения ему квалификации фрезеровщика.
Фрезерование является весьма производительным процессом механической обработки резанием, поэтому оно сравнительно быстро получило широкое применение.
Особенно большое распространение получило фрезерование с развитием крупносерийного и массового производств, так как оно позволяет получать в больших количествах одинаковые детали с заданной точностью при малых затратах рабочего времени.
Развитие фрезерного дела и широкое применение фрезерования вызвали в свою очередь ряд усовершенствований фрезерного инструмента и фрезерных станков, в результате чего непрерывно растет производительность труда и повышается качество выполняемых работ.
Фрезерование в современном производстве имеет большое значение: оно нашло отражение в реконструкции народного хозяйства СССР. Одним из первых был построен в 1932 г. Горьковский завод фрезерных станков. В настоящее время фрезерные станки выпускаются, кроме Горьковского завода, Дмитровским, Одесским, Львовским заводами фрезерных станков, заводом «Жальгирис» в Вильнюсе, Ульяновским заводом тяжелого станкостроения и др.
Нет ни одной отрасли машиностроения, начиная с производства точных приборов и кончая крупнейшими гидравлическими турбинами, где бы при изготовлении деталей не применялось фрезерование.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какие существуют основные способы обработки металлов?
2. Что называется обработкой металлов без снятия стружки? Перечислите известные вам способы обработки металлов без снятия стружки.
3. Что называется обработкой металлов со снятием стружки?
4. Какие способы обработки металлов со снятием стружки вам известны?
5. В чем заключается резание металлов?
6. Как происходит снятие стружки при обработке металлов?
7. В чем заключается процесс фрезерования?
8. Какое движение называется главным?
9. Что называется движением подачи?
10. Какие виды фрезерной обработки вы знаете?
Существуют различные виды механической обработки: точение, фрезерование, сверление, строгание и т. д. Несмотря на конструкционные отличия станков и особенности технологий, управляющие программы для фрезерных, токарных, электроэрозионных, деревообрабатывающих и других станков с ЧПУ создаются по одному принципу. В этой книге основное внимание будет уделено программированию фрезерной обработки. Освоив эту разностороннюю технологию, вероят- нее всего, вы самостоятельно разберетесь и с программированием других видов обработки. Вспомним некоторые элементы теории фрезерования, которые вам обязательно пригодятся при создании управляющих программ и работе на станке.
Процесс фрезерования заключается в срезании с заготовки лишнего слоя материала для получения детали требуемой формы, размеров и шероховатости об- работанных поверхностей. При этом на станке осуществляется перемещение инструмента (фрезы) относительно заготовки или, как в нашем случае (для станка на рис. 1.4–1.5), перемещение заготовки относительно инструмента.
Для осуществления процесса резания необходимо иметь два движения – главное и движение подачи. При фрезеровании главным движением является враще- ние инструмента, а движением подачи – поступательное движение заготовки. В процессе резания происходит образование новых поверхностей путем деформирования и отделения поверхностных слоев с образованием стружки.
При обработке различают встречное и попутное фрезерование. Попутное фрезерование, или фрезерование по подаче, – способ, при котором направления движения заготовки и вектора скорости резания совпадают. При этом толщина стружки на входе зуба в резание максимальна и уменьшается до нулевого значения на выходе. При попутном фрезеровании условия входа пластины в резание более благоприятные. Удается избежать высоких температур в зоне резания и минимизировать склонность материала заготовки к упрочнению. Большая толщина стружки является в данном случае преимуществом. Силы резания прижимают заготовку к столу станка, а пластины – в гнезда корпуса, способствуя их надежному креплению. Попутное фрезерование является предпочтительным при условии, что жесткость оборудования, крепления и сам обрабатываемый материал позволяют применять данный метод.
Встречное фрезерование, которое иногда называют традиционным, наблюдается, когда скорости резания и движение подачи заготовки направлены в противоположные стороны. При врезании толщина стружки равна нулю, на выходе – максимальна. В случае встречного фрезерования, когда пластина начинает работу со стружкой нулевой толщины, возникают высокие силы трения, отжимающие фрезу и заготовку друг от друга. В начальный момент врезания зуба процесс резания больше напоминает выглаживание, с сопутствующими ему высокими тем пературами и повышенным трением. Зачастую это грозит нежелательным упрочнением поверхностного слоя детали. На выходе из-за большой толщины стружки в результате внезапной разгрузки зубья фрезы испытывают динамический удар, приводящий к выкрашиванию и значительному снижению стойкости.
В процессе фрезерования стружка налипает на режущую кромку и препятствует ее работе в следующий момент врезания. При встречном фрезеровании это может привести к заклиниванию стружки между пластиной и заготовкой и, со ответственно, к повреждению пластины. Попутное фрезерование позволяет избежать подобных ситуаций. На современных станках с ЧПУ, которые обладают высокой жесткостью, виброустойчивостью и у которых отсутствуют люфты в сопряжении ходовой винт-гайка, применяется в основном попутное фрезерование.
Припуск – слой материала заготовки, который необходимо удалить при обработке. Припуск можно удалить в зависимости от его величины за один или не- сколько проходов фрезы.
Принято различать черновое и чистовое фрезерования. При черновом фрезеровании обработку производят с максимально допустимыми режимами резания для выборки наибольшего объема материала за минимальное время. При этом, как правило, оставляют небольшой припуск для последующей чистовой обработки. Чистовое фрезерование используется для получения деталей с окончательными размерами и высоким качеством поверхностей.
Одним из способов отделки материалов является фрезерование. Оно используется для обработки металлических и неметаллических заготовок. Рабочий процесс контролируется с помощью режимов резания.
Фрезерование осуществляется с целью глубокой черновой и чистовой обработки, формирования определённого профиля поверхности (пазы, канавки), нарезания зубьев на зубчатых колесах, корректировки формы, художественного вытачивания узоров и надписей.
Рабочий инструмент - фреза - совершает главное вращающее движение. Вспомогательным является поступательная подача заготовки относительно ее хода. Этот процесс имеет прерывистый характер. Его важнейшая особенность, которая отличает от точения и сверления - тот факт, что каждый зуб работает отдельно. В связи с этим, для него характерно наличие ударных нагрузок. Уменьшить их влияние возможно с учетом рациональной оценки ситуации и подбора режимов.
В зависимости от способа расположения шпинделя и крепления фрезы в нем, от видов осуществляемых действий и от способов управления, выделяют основные типы фрезеровального оборудования:
Основные узлы вертикально-фрезерного станка:
В горизонтально-фрезерных станках инструмент закрепляется горизонтально. А универсальные имеют несколько разновидностей.
Существует универсальное горизонтальное оборудование, для которого характерно наличие оборотности стола и, тем самым, расширение спектра возможных выполняемых работ. Кроме того, имеется широкоуниверсальное, имеющее в своем строении оба шпинделя и позволяющее осуществлять все виды фрезерования.
С ЧПУ отличаются наличием программного обеспечения и компьютерного управления. Они предназначены для художественной обработки заготовок, в том числе в 3D-формате.
Фрезы - это приспособления для резания. Основные физические параметры, с помощью которых они оцениваются: высота, диаметр, величины фаски и затылования, окружной шаг. Существует их огромное разнообразие, распределяющиеся по различным признакам:
Наиболее информативные признаки: материал режущей кромки и назначение.
С целью снятия слоев материала на горизонтальных, вертикальных или наклонных плоскостях, используются цилиндрические и торцевые фрезы.
Инструмент первого вида может быть цельным либо с насадными ножами. Большие цельные фрезеровальные насадки предназначены для черновой обработки, а малые - для чистовой. Вставные ножи для складных режущих головок могут быть изготовлены из быстрорежущей стали либо оборудованы пластинками из твердых сплавов. Твердосплавные фрезы имеют большую производительность работы, чем сделанные из легированного стального сплава.
Торцевая применяется для удлиненных плоскостей, ее зубья распределяются на торцевой поверхности. Большие складные используются для широких плоскостей. Кстати, для снятия стружки со сложно обрабатываемых тугоплавких металлов обязательно наличие твердосплавных ножей. Для применения этих групп фрезеровальных приспособлений нужна значительная ширина и длина изделия.
Для придания материалу определенного профиля, нанесения узора, формирования нешироких углублений применяются концевые и дисковые фрезеровальные насадки.
Концевая или распространена для вырезания пазов, узких и криволинейных плоскостей. Все они - цельные или сварные, режущая часть из быстрорежущей легированной стали, может быть наплавлен твердосплав, а корпус сделан из углеродистой стали. Существуют малозаходные (1-3 спирали) и многозаходные (4 и больше). Используются для станков с ЧПУ.
Дисковая - это также фреза пазовая. Она применима для канавок, пазов, нарезания зубов на зубчатых колесах.
Художественное фрезерование осуществляется на древесине, металле, ПВХ.
Снятие стружки с углов, придание им рациональной формы, моделирование, разделение заготовки на части можно реализовывать с помощью шлицевых, угловых и фасонных фрезеровальных насадок:
Практически для всех типов возможна цельная стальная конструкция либо складная, с наличием вставных твердосплавных ножей. Твердосплавные фрезы имеют качественно более высокие показатели работы и ее продолжительности для инструмента в целом.
Существует несколько классификационных признаков, по которым разделяют виды фрезерования:
Цилиндрическая обработка применима для горизонтальных плоскостей, осуществляется с помощью соответствующих фрез на горизонтальных станках.
Концевая отделка обеспечивает формирование необходимого профиля криволинейным канавкам, сверлам и приборам.
Фасонная обработка осуществляется для поверхностей со сложной конфигурацией: углов, кромок, пазов, нарезания зубьев для зубчатых колес.
Вне зависимости от вида осуществляемых работ и обрабатываемых материалов, результат должен отличаться высокой гладкостью финишного слоя, отсутствием зазубрин, точностью отделки. С целью получения чистой обработанной поверхности важно контролировать величины подач заготовки по отношению к инструменту.
Когда выполняется фрезерование металла встречного типа - заготовка подается навстречу вращательным движениям насадки. При этом зубья постепенно врезаются в обрабатываемый метал, нагрузка увеличивается прямопропорционально и равномерно. Однако перед врезанием зуба в деталь, он некоторое время скользит, образовывая наклеп. Это явление ускоряет выход фрезы из рабочего состояния. Используется при черновой обработке.
При выполнении попутного типа - заготовка подается по ходу вращательных движений инструмента. Зубья работают ударно под большими на 10% ниже, чем при встречном фрезеровании. Осуществляется при чистовой обработке деталей.
Они характеризуются высокой степенью автоматизации, точностью рабочего процесса, высокой продуктивностью. Фрезерование на станке с ЧПУ осуществляется чаще всего с помощью торцевых или концевых фрез.
Последние - наиболее широко используемые. При этом, в зависимости от обрабатываемого материала, соответствующего типа образующей стружки, заданных параметров программного обеспечения, используются разные концевые фрезы. Они классифицируются по числу заходов спиралей, которые обеспечивают наличие режущих кромок и канавный отвод стружки.
Материалы с широкой стружкой целесообразно фрезеровать с помощью инструментов малого количества заходов. Для твердых металлов с характерной стружкой излома необходимо выбирать фрезеровальные приспособления с большим количеством спиралей.
Малозаходные фрезы для ЧПУ могут иметь от одной до трех режущих кромок. Они используются для дерева, пластмассы, композитов и мягких податливых металлов, требующих быстрого отвода широкой стружки. Применяются для черновой обработки заготовок, к которым не ставятся высокие требования. Для данного инструмента характрена небольшая производительность, невысокая жесткость.
С помощью однозаходных осуществляется художественное фрезерование алюминия.
Широко используемыми являются двух- и трехзаходные концевые. Они обеспечивают жесткость более высоких значений, качественный отвод стружки, позволяют работать с металлами средней твердости (например, со сталью).
Многозаходные фрезы для ЧПУ имеют более 4-х режущих кромок. Применяются для металлов средней и высокой твердости, для которых характерна мелкая стружка и высокое сопротивление. Им свойствена значительная производительность, они актуальны для чистовой и получистовой обработки и не рассчитаны на работу с мягкими материалами.
С целью правильного выбора инструмента для станков с ЧПУ важно учитывать режим резания при фрезеровании, а также все характеристики обрабатываемой поверхности.
Для обеспечения нужного качества фрезерованного слоя важно правильно определить и поддерживать необходимые технические параметры. Основными показателями, описывающими и регулирующими фрезеровочный процесс, являются режимы работы.
Расчет при фрезеровании производится с учетом основных элементов:
Выделяют несколько взаимосвязанных понятий:
Их взаимосвязь устанавливается математематически:
S мин =S об *n= S z *z*n,
где z - количество зубьев;
n - частота вращения шпинделя, мин -1 .
На величину подачи также влияют физические и технологические свойства обрабатываемой площади, прочность инструмента и рабочие характеристики механизма подач.
В качестве номинального расчетного параметра принимают степень быстрого оборота шпинделя. Фактическая скорость V, м/мин зависит от диаметра фрезы и частоты ее вращающихся движений:
Частота вращения фрезерного инструмента определяется:
n=(1000*V)/(π*D)
Имея информацию о минутной подаче, можно определить необходимое время для заготовки c длиной L:
Расчет режимов резания при фрезеровании и их установку актуально осуществлять перед наладкой станка. Установление рациональных заданных параметров, с учетом характеристик инструмента и материала детали, обеспечивает высокую продуктивность работ.
Невозможно идеально подобрать режим резания при фрезеровании, однако можно руководствоваться основными принципами:
Лучше начинать со средней скоростью, а в процессе корректировать ее в меньшую или большую сторону.
Режим резания при фрезеровании важно определять не только математически или с помощью специальных таблиц. Для правильного выбора и установки оптимальных параметров для станка и нужного инструмента необходимо оперировать некоторыми особенностями и личным опытом.
Лабораторная работа № 5
Фрезерные станки, их кинематика и виды выполняемых работ
Цель работы – изучение устройства, назначения и кинематики горизонтально- и вертикально-фрезерных станков, а также видов, конструкции и назначения фрез.
Фрезерование является одним из высокопроизводительных и распространенных методов обработки заготовок резанием. Обработка производится многолезвийными инструментами – фрезами. Особенностью фрезерования является прерывистость процесса резания – каждый зуб фрезы «работает», т.е. находится на дуге резания только на некоторой части оборота. В остальное время зуб не касается заготовки, что способствует его эффективному охлаждению.
Фрезерные станки в основном предназначены для обработки различно ориентированных плоских поверхностей, пазов, канавок, уступов, а также фасонных поверхностей, в том числе для нарезания наружных зубьев и шлицов. В связи с многообразием фрезерных работ существуют различные типы станков, которые подразделяют на станки общего назначения и специальные. К станкам общего назначения относят горизонтально-фрезерные, у которых ось шпинделя горизонтальна, и вертикально-фрезерные, у которых ось шпинделя вертикальна. К этой же группе относят универсальные фрезерные станки, у которых положение оси шпинделя можно менять. На любом из фрезерных станков общего назначения можно выполнять различные виды работ, используя разные фрезы и приспособления. К специальным относят станки более узкого назначения: шпоночные, шлицевые, резьбофрезерные, зубофрезерные, копировально-фрезерные и т.д. На специальном станке можно выполнять какую-либо одну операцию, с большей производительностью и точностью, чем на станках общего назначения.
На рис. 1 показан общий вид горизонтально-фрезерного станка, на рис. 1 – общий вид вертикально-фрезерного станка.
Рис. 1 Горизонтально-фрезерный станок
Рис. 2 Вертикально-фрезерный станок
При фрезеровании главным рабочим движением является вращение фрезы, а движением подачи - чаще всего поступательное перемещение заготовки, закрепленной на столе станка. На станках общего назначения возможны три вида подачи: продольная, поперечная и вертикальная.
Режимами резания при фрезеровании являются следующие параметры.
Скорость резания.
,
м/мин,
где D ф, мм – диаметр фрезы,
n, об/мин – частота вращения шпинделя.
Глубина резания t, мм – толщина слоя металла, срезаемого фрезой за один проход.
Подача – перемещение заготовки в единицу времени. При фрезеровании различают три вида подачи – минутную (s м, мм/мин), на один оборот фрезы (s о, мм/об), на один зуб фрезы (s z , мм/зуб). Эти виды подачи связаны между собой следующим соотношением.
,
мм/об,
где z – число зубьев фрезы.
Ширина фрезерования В, мм – ширина поверхности, обрабатываемой за один проход, измеренная в направлении, перпендикулярном оси фрезы (для вертикально-фрезерных станков) или в направлении, параллельном оси фрезы (для горизонтально-фрезерных станков).
При фрезеровании используют различные типы фрез, основные из которых представлены на рис. 3.
Рис. 3 Фрезы
При работе цилиндрическими, дисковыми, угловыми, фасонными и отрезными фрезами различают два вида фрезерования – встречное и попутное (рис. 4).
При встречном фрезеровании направления вращения фрезы и подачи заготовки противоположны друг другу. Толщина стружки при этом возрастает от нуля в момент входа зуба на дугу резания до максимального значения в момент выхода зуба с дуги резания (зуб фрезы режет металл «под корку»). Так как сила резания прямо пропорциональна толщине стружки, то нагрузка на зуб фрезы будет расти постепенно, что благоприятно сказывается на стойкости инструмента и дает возможность работать с большой глубиной резания. При встречном фрезеровании вертикальная составляющая силы резания направлена вверх, стремится оторвать заготовку от стола, что приводит к возникновению вибраций, уменьшению точности и увеличению шероховатости обработанной поверхности. Этот вид фрезерования используют при черновой обработке.
Рис. 4 Схемы фрезерования: а – встречное, б - попутное
При попутном фрезеровании направления вращения фрезы и подачи заготовки совпадают. Толщина стружки в момент входа зуба фрезы на дугу резания будет максимальна, затем плавно уменьшится до нуля. Таким образом, фреза работает с ударом об обрабатываемую поверхность, что отрицательно сказывается на ее стойкости. Вертикальная составляющая силы резания направлена вниз и прижимает заготовку к столу, что способствует улучшению качества обработанной поверхности. Этот вид фрезерования используется при чистовой обработке.
Порядок выполнения работы
Ознакомиться с методическими указаниями.
Изучить функциональное назначение основных узлов горизонтально- и вертикально-фрезерного станков. В эскизной форме дать общую компоновку одного из станков с указанием основных узлов.
Определить тип выданной преподавателем фрезы, выполнить ее эскиз, определить, на каком станке и для выполнения каких операций используется фреза. Изобразить схему обработки детали этой фрезой.
Изучить кинематические схемы одного или нескольких фрезерных станков (модели станков указываются преподавателем).
Изучить кинематическую схему универсальной делительной головки и методы деления.
Составить отчет.
Цель работы.
Общий вид станка с указанием основных узлов.
Рабочие движения и режимы резания при фрезеровании.
Эскиз фрезы с необходимыми комментариями.
Схема обработки детали фрезой.
Выбрать метод деления (простое, методом двух отсчетов, дифференциальное) и произвести деление для нарезания зубчатого колеса с количеством зубьев, заданным преподавателем.
Расчет режимов фрезерования заключается в определении скорости резания, частоты вращения фрезы, и выбора подачи. При фрезеровании различают два основных движения: вращение фрезы вокруг своей оси - главное движение и перемещение заготовки относительно фрезы - движение подачи. Скорость вращения фрезы называют скоростью резания, а скорость перемещения детали - подачей. Скорость резания при фрезеровании - это длина пути (в м ), которую проходит за 1 мин наиболее удаленная от оси вращения точка главной режущей кромки.
Скорость резания легко определить, зная диаметр фрезы и частоту ее вращения (число оборотов в минуту). За один оборот фрезы режущая кромка зуба пройдет путь, равный длине окружности, имеющей диаметр D:
l = πD, где l - путь режущей кромки за один оборот фрезы.
Длина пути, пройденная кромкой зуба фрезы в единицу времени,
L = ln = πDn, где n - частота вращения, об/мин .
Принято обозначать диаметр фрезы в миллиметрах, а скорость резания в метрах в минуту (м/мин), поэтому написанную выше формулу можно записать в виде:
В производственных условиях часто требуется определить необходимую частоту вращения фрезы для получения заданной скорости, резания. В этом случае используют формулу:
При фрезеровании различают подачу на зуб, на оборот и минутную подачу. Подачей на зуб S z называют расстояние, на которое перемещается заготовка (или фреза) за время поворота фрезы на один шаг, т. е. на угол между двумя соседними зубьями. Подачей на оборот S 0 называют расстояние, на которое перемещается обрабатываемая деталь (или фреза) за время одного полного оборота фрезы:
S 0 = S z Z
Минутной подачей S м называют расстояние, на которое перемещается заготовка (или фреза) в процессе резания за 1 мин. Минутная подача измеряется в мм/мин:
S м = S 0 n, или S м = S z Zn
Зная минутную подачу, легко подсчитать время, необходимое для фрезерования детали. Для этого достаточно разделить длину обработки (т. е. путь, который должна пройти заготовка по отношению к фрезе) на минутную подачу. Таким образом, по величине минутной подачи удобно судить о производительности обработки. Глубиной резания t называют расстояние (в мм) между обрабатываемой и обработанной поверхностями, измеренное перпендикулярно обработанной поверхности, или толщину слоя металла, снимаемого за один проход фрезы.
Скорость резания, подача и глубина резания являются элементами режима резания. При наладке станка устанавливают глубину резания, подачу и скорость резания, исходя из возможностей "режущего инструмента, способа фрезерования обрабатываемого материала и особенностей обработки. Чем большее количество металла в единицу времени фреза снимает с заготовки, тем выше будет производительность фрезерования. Естественно, что производительность фрезерования при прочих равных условиях будет повышаться с увеличением глубины резания, подачи или скорости резания.
