Типы фрез для станков с ЧПУ

Продолжаем публикацию материалов из Справочника фрезеровщика под редакцией В.Ф. Безъязычного. На этот раз разберем типы и конструкции фрез.

Фреза — многолезвийный режущий инструмент. Обработка фрезами обеспечивает получение деталей с малой погрешностью формы, размеров и высоким качеством поверхностного слоя.

По форме и технологическому назначению фрезы подразделяют на типы (рис. 1.8). Торцовые (рис. 1.8, а) и цилиндрические (рис. 1.8, б) фрезы предназначены для обработки открытых плоскостей.

Концевые (рис. 1.8, в и г) и дисковые (рис. 1.8, д) фрезы применяют при фрезеровании плоскостей, пазов и уступов. Т-образными (рис. 1.8, e) и фрезами типа «ласточкин хвост» (рис. 1.8, ж) обрабатывают пазы аналогичных форм. Фасонные фрезы (рис. 1.8, з) применяют для получения фасонных поверхностей.

Существуют и другие фрезы, например, дисковые угловые, модульные, резьбовые и т.д.

Рис. 1.8. Типы фрез
(t — глубина резания; В — размер обрабатываемой поверхности)

Элементы фрезы. Фреза состоит из корпуса и режущей части, которую изготавливают из инструментальных сталей, твердых или минералокерамических сплавов. Поскольку зуб фрезы соответствует резцу, то поверхности и режущие кромки зубьев фрез определяются по аналогии с резцом.

У токарного резца (рис. 1.9) и фрезы (рис. 1.10) можно выделить следующие элементы и определяющие их параметры.

Рис. 1.9. Геометрические параметры токарного резца

Рис. 1.10. Элементы и параметры фрезы:

Аγ, Аα — передняя и задняя поверхности; K — режущая кромка;
K_Н — канавка; f — фаска зуба; C — cпинка зуба; γ — передний угол;
α — задний угол; β — угол заострения; δ — угол резания

Поверхность, по которой сходит стружка, называется передней поверхностью А_γ. В процессе резания она контактирует со срезаемым слоем и стружкой. Поверхность, обращенная в процессе резания к заготовке, называется задней поверхностью А_α. Пересечение передней и задней поверхностей образует режущую кромку. Часть режущей кромки, формирующая большую сторону сечения срезаемого слоя, является главной режущей кромкой K, а другая ее часть, формирующая меньшую его сторону, является вспомогательной режущей кромкой K ’.

Главная задняя поверхность обращена к поверхности резания и примыкает к главной режущей кромке. Вспомогательная задняя поверхность обращена к обработанной поверхности и примыкает к вспомогательной режущей кромке.

Участок режущей кромки в месте пересечения двух задних поверхностей называется вершиной лезвия, а радиус, по которому выполнено это сопряжение, — радиусом вершины.

Углы лезвия задают и измеряют относительно основной P_νc и рабочей Р_пс плоскостей (см. рис. 1.9, а). Следует различать углы лезвия, заданные в главной и в нормальной Р_нс секущих плоскостях. Плоскость P_τ перпендикулярна линии пересечения основной плоскости и плоскости резания, а плоскость Р_нс перпендикулярна режущей кромке в рассматриваемой точке. Если инструмент имеет криволинейную режущую кромку, то измерение углов производят в сечении, перпендикулярном к касательной в данной точке.

Передний угол γ — угол между передней поверхностью и основной плоскостью. Угол, измеренный в нормальной секущей плоскости, называется нормальным γ_н, а измеренный в главной секущей плоскости — главным передним углом γ. При этом различают положительный передний угол [+γ], если режущая кромка занимает наивысшее положение на передней поверхности (cм. рис. 1.9, б), и отрицательный передний угол [—γ], если режущая кромка расположена ниже точек передней поверхности.

При резании инструментом с отрицательным передним углом деформации срезаемого слоя будут значительно больше, а следовательно, больше силы и температура в зоне резания, чем при обработке инструментом с положительным передним углом.

Задний угол α — угол в секущей плоскости между задней поверхностью лезвия и плоскостью резания. Угол, измеренный в нормальной секущей плоскости, называется нормальным α_н, а измеренный в главной секущей плоскости — главным задним углом α.

Величина заднего угла оказывает влияние на прочность режущего клина, интенсивность роста износа.

Угол заострения β — угол между передней и задней поверхностями лезвия; он определяет прочность режущего инструмента. Угол резания δ — угол между передней поверхностью и плоскостью резания; δ ≈ β + α.

Углы лезвия определяются также относительно вспомогательной режущей кромки.

Главный угол в плане ϕ — угол между проекцией главной режущей кромки на основную плоскость и направлением подачи. Вспомогательный угол в плане ϕ′ — угол между проекцией вспомогательной кромки на основную плоскость и направлением, обратным направлению подачи. Угол при вершине резца ε — угол между проекциями режущих кромок на основную плоскость.

Угол наклона главной режущей кромки λ — угол в плоскости резания между режущей кромкой и основной плоскостью. От величины этого угла зависят прочность вершины резца, условия врезания зуба фрезы в заготовку, направление схода стружки и другие параметры резания.

Различают положительный угол наклона кромки [+λ], если вершина резца занимает нижнее положение на режущей кромке (cм. рис. 1.9, в), и отрицательный [—λ], если она занимает наивысшее положение. При λ = 0 режущая кромка расположена параллельно основной плоскости.

Зуб фрезы (cм. рис. 1.10) имеет те же элементы, что и резец: переднюю поверхность А_γ, заднюю поверхность А_α, режущую кромку K и соответствующие углы γ, α, β, δ. У зуба можно выделить также фаску f и спинку С — поверхность, смежную с передней поверхностью одного зуба и задней поверхностью соседнего. Канавка K_н является переходным элементом от одного зуба к другому.

Фрезы имеют торцовую плоскость, т.е. плоскость, перпендикулярную к оси фрезы, и осевую плоскость, т.е. плоскость, проходящую через ось фрезы и рассматриваемую точку на ее режущей кромке.

Главная режущая кромка K фрезы выполняет основное резание. У цилиндрических фрез главная режущая кромка может быть прямолинейной (по образующей цилиндра), наклонной (к образующей цилиндра) и винтовой. Вспомогательной режущей кромки у цилиндрических фрез нет.

У фрез с торцовыми зубьями различают:

• главную режущую кромку — кромку, расположенную под углом к оси фрезы;
• вспомогательную режущую кромку — кромку, расположенную на торцовой части фрезы;
• переходную режущую кромку — кромку, соединяющую главную и вспомогательную режущие кромки.

Более полная картина координатных плоскостей в соответствии с ГОСТ 25762–83 при фрезеровании приведена на рис. 1.11, а при фрезеровании фасонных поверхностей — на рис. 1.12.

Рис. 1.11. Координатные плоскости при периферийном фрезеровании:

Р_VC и Р_VK — основные плоскости: статическая и кинематическая;
Р_ПС, Р_ПК и Р_ПИ — плоскости резания: статическая, кинематическая и инструментальная;
Р_Н — нормальная секущая плоскость; Pτ — главная секущая плоскость;
Р_ΤИ, Р_ΤС и Р_ΤК — главные секущие плоскости: инструментальная, статическая и кинематическая соответственно

Рис. 1.12. Координатные плоскости при фасонном фрезеровании
(см. обозначение плоскостей к рис. 1.11)

Геометрические элементы фрез в соответствии с ГОСТ 25762–83 приведены на рис. 1.13–1.15.

Рис. 1.13. Геометрические элементы цилиндрической фрезы:
1 — передняя поверхность лезвия Аγ; 2 — главная режущая кромка K;
3 — вспомогательная режущая кромка K′; 4 — главная задняя поверхность лезвия Аα;
5 — вспомогательная задняя поверхность лезвия А′α ; 6 — вершина лезвия

Рис. 1.14. Геометрические элементы угловой концевой фрезы
(см. обозначения на рис. 1.13)

Рис. 1.15. Углы торцевой фрезы:
а — со вставными зубьями; б — со вставными квадратными зубьями

Буквенные обозначения элементов обработки и плоскостей приведены в табл. 1.1.

Форма и элементы зубьев. В зависимости от поверхности, по которой производится затачивание фрезы, существуют две основные конструкции зубьев:

• остроконечный зуб, затачиваемый по задней поверхности (рис. 1.16, а);
• затылованный зуб, затачиваемый только по передней поверхности (рис. 1.16, б).

Рис. 1.16. Форма зубы фрезы:
а — остроконечная; б — затылованная

Зубья характеризуются следующими элементами (рис. 1.17):

• высота h — расстояние между точкой режущей кромки зуба и дном канавки, измеренное в радиальном сечении фрезы перпендикулярно ее оси;
• ширина задней поверхности зуба (см. рис. 1.10, фаска f) — расстояние от режущей кромки до линии пересечения задней поверхности зуба с его спинкой, измеренное в направлении, перпендикулярном режущей кромке;
• S_ш — окружной шаг зубьев — расстояние между одноименными точками режущих кромок двух смежных зубьев, измеренное по дуге окружности с центром на оси фрезы и в плоскости, перпендикулярной этой оси. Окружной шаг может быть равномерным и неравномерным;
• величина затылования h_з (см. рис. 1.16, б) — это понижение кривой затылования между режущими кромками двух соседних зубьев.

Рис. 1.17. Элементы зуба:
h — высота; f — фаска; S_ш — окружной шаг

Рис. 1.18. Схема образования винтовой линии:
а — левой; б — правой

Элементы и форма канавок. Канавка K (см. рис. 1.10) — выемка для отвода стружки, ограниченная передней поверхностью зуба и задней поверхностью одного и спинкой соседнего зуба. Канавки делятся на прямые и винтовые. Канавка прямая параллельна оси фрезы. Образование винтовой линии показано на рис. 1.18. Если треугольник АВС навернуть на цилиндр так, чтобы катет AB = πD совпал с основанием цилиндра диаметром D, то гипотенуза АС образует на цилиндре винтовую линию левую или правую. Шагом Р винтовой линии называется величина ее подъема за один оборот вокруг цилиндра. Угол ω называется углом наклона винтовой линии, а угол β — углом подъема винтовой линии. Эти углы связаны между собой соотношением: ω = 90 — β. Они определяются по формулам:

где π = 3,14.

Канавка винтовая левая (рис. 1.19, а) — канавка, направленная по винтовой линии с подъемом справа налево. Канавка винтовая правая (рис. 1.19, б) — канавка, направленная по винтовой линии с подъемом слева вверх направо.

Рис. 1.19. Направление винтовых канавок:
а — левое; б — правое

Важными параметрами фрезы являются объем впадины зуба и профиль впадины зуба. Плавность сопряжения передней поверхности и спинки зуба должна быть такой, чтобы стружка под воздействием сил инерции, охлаждающей жидкости или вновь образующейся стружки свободно удалялась из впадины. Увеличение параметров r и h (рис. 1.17) с целью достижения более благоприятных условий размещения стружки ограничено прочностью зуба. Для улучшения отвода стружки переднюю поверхность и впадины зубьев у некоторых фрез полируют.

Фрезы с остроконечными зубьями просты в изготовлении, удобны в эксплуатации и обеспечивают достаточно высокую стойкость инструмента. Затачивание таких фрез производят по задней поверхности, однако следует иметь в виду, что по мере переточек высота зуба и объем его впадины уменьшаются.

У фрез с затылованной формой зубьев (cм. рис. 1.16, б) спинку обрабатывают на токарно-затыловочных станках. Ее профиль соответствует архимедовой спирали, что обеспечивает постоянство профиля передней поверхности зуба. Для сохранения значений задних углов и профиля, зубья затачивают по передней поверхности в радиальном направлении. Сохранение постоянного профиля режущей кромки особенно важно для фасонных фрез. По мере переточек зубьев фрезы объем впадины увеличивается.

Недостатками этих фрез являются малая величина заднего угла α и нулевой передний угол γ, что затрудняет резание и снижает стойкость инструмента. Затылованные фрезы имеют более высокую стоимость по сравнению с острозаточенными.

Конструкции фрез. Большинство конструкций фрез стандартизовано. Помимо технологического назначения фрезы подразделяют на цельные, составные, со вставными ножами и сборные головки.

Цельные фрезы изготовляют целиком из инструментального материала (быстрорежущей стали или твердого сплава). Фрезы могут быть цельными комбинированными, т. е. зубья выполняются из инструментального материала, а корпус — из конструкционной стали. Зубья напаиваются на корпус или, если они из быстрорежущей стали, наплавляются на него.

Цельные фрезы обладают большой жесткостью, что является их достоинством. Однако им свойственны и недостатки: изменение размера фрез после переточки; отрицательное влияние температуры пайки или наплавки режущих зубьев на качество (стойкость) инструмента; повышенный расход инструментального материала.

Фрезы с механическим креплением вставных зубьев (пластин) в настоящее время наиболее распространены. Среди многообразия конструкций крепления режущих элементов у таких фрез можно выделить два основных вида — фрезы с механическим креплением ножей (резцов) и фрезы с механическим креплением многогранных неперетачиваемых пластин.

Фрезы с многогранными пластинами имеют ряд достоинств, что определяет их широкое применение на практике. В общем случае при механическом креплении должны быть обеспечены точная ориентация режущей пластины в корпусе фрезы, надежность ее крепления, возможность быстрого удаления изношенной пластины и замены ее новой, а также механизация этих процессов, минимальные размеры узла крепления.

Известно много различных способов крепления пластин: винтами, штифтами, рычагами, прихватами и т.д. Все они имеют свои достоинства и недостатки. Один из наиболее простых способов крепления многогранной пластины показан на рис. 1.20. Пластину 1 из инструментального материала устанавливают на прокладку 2, которую для уменьшения деформации от воздействия сил резания и температуры изготавливают из быстрорежущей стали или твердого сплава. Прокладку крепят винтом 3. Пластину ориентируют в
60;радиальном и вертикальном направлениях упорами 4, 5 и зажимают винтом 7 через прижим 6. На поверхности, обращенной к сходящей стружке, этот прижим имеет припаянную твердосплавную пластину 8. Для механического крепления используют пластины двух-, трех-, четырех-, пяти-, шестигранной и круглой формы (рис. 1.21).

Рис. 1.20. Схема крепления четырехугольной пластины прихватом:
1 — пластина; 2 — прокладка; 3 — винт;
4 и 5 — упоры; 6 — прихват; 7 — винт;
8 — припаянная пластина

Рис. 1.21. Многогранные неперетачиваемые пластины твердого сплава:
а — квадратные; б — шестигранные; в — круглые

В настоящее время применяют либо цифровые, либо буквенно-цифровые условные обозначения механически закрепляемых пластин в зависимости от их формы, геометрии заточки, точности и т.д. .

В этих обозначениях первые две цифры (или первая буква) характеризуют форму пластины, третья цифра (или вторая буква) определяет значение заднего угла, четвертая цифра (или третья буква) указывает степень точности изготовления пластины, а пятая цифра (или четвертая буква) характеризует ее конструктивные особенности.

Вторая часть условного обозначения состоит из трех групп двузначных цифр, определяющих: длину режущей кромки (мм), толщину пластины (мм), значение радиуса при вершине (мм), увеличенное в 10 раз.

Например, пластина шестигранной формы с нулевым значением заднего угла, нормальной точности, с центральным отверстием и стружечными канавками, размерами: длиной режущей части 11 мм, толщиной 4 мм, радиусом при вершине 1,2 мм, выполненная из сплава ВК6, будет иметь обозначения:

цифровое

11114 — 110412 ВК8 ГОСТ 19068–80*

и буквенно-цифровое

HNUM — 110412 ВК8 ГОСТ 19068–80*.