Виды фрез для станков с ЧПУ

Продолжаем публикацию материалов из учебника Босинзона М.А «Обработка деталей на металлорежущих станках различного вида и типа» . На этот раз разберем классификацию фрез.

КЛАССИФИКАЦИЯ ФРЕЗ

Фрезы — это многозубые режущие инструменты, применяемые для обработки плоскостей, пазов, фасонных поверхностей, тел вращения, а также для разрезания материалов. В процессе фрезе­рования в контакте с заготовкой, как правило, находится несколь­ко зубьев, снимающих стружку переменной толщины. При этом благодаря большой суммарной активной длине режущих кромок обеспечивается высокая производительность процесса фрезеро­вания, повышению которой также способствует высокая скорость фрезерования, которая достигается за счет периодического выхода зубьев из зоны резания, обеспечивающего охлаждение и снятие тепловой напряженности в режущем клине.

Кинематика фрезерования проста: фреза получает вращение от главного привода, а заготовка закрепляется на столе станка. Движе­ние подачи от отдельного привода станка кинематически не связано с вращением фрезы. Оно может быть прямолинейным, вращатель­ным или винтовым, а режущие кромки фрезы — прямолинейными, наклонными к оси, винтовыми или фасонными. Это обусловливает появление огромного разнообразия конструкций фрез и широкую область их применения.

Фрезы можно классифицировать по следующим основным при­знакам:

■ по конструкции режущих зубьев и способа их заточки фрезы

бывают:

• с остроконечными зубьями;
• с перетачиваемыми зубьями по задней поверхности;
• с затыловочными зубьями, перетачиваемыми по передней грани;

■ по форме и расположению режущих кромок относительно оси вращения инструмента фрезы подразделяются:

• на цилиндрические;
• дисковые;
• торцовые;
• концевые;
• угловые;
• фасонные;

■ по направлению зубьев к оси фрезы бывают:

• прямозубые;
• винтовые;
• с наклонными зубьями;

■ по способу крепления на станке фрезы подразделяются:

• на насадные с отверстием под оправку;
• концевые с цилиндрическим или коническим хвостовиком;

■ по конструкции фрезы подразделяются:

• на цельные;
• сборные со вставными зубьями, в том числе с напаянными или механически закрепляемыми режущими пластинами из твердого сплава или сверхтвердых материалов (СТМ).

На рис. 11.1 представлены основные виды фрез с различным расположением режущих кромок относительно оси вращения инструмента.

Цилиндрические фрезы (рис. 11.1, а) применяются на гори­зонтально-фрезерных станках при обработке плоскостей. Они могут быть с винтовыми и прямыми зубьями. Фрезы с винтовыми зубьями работают плавно, и они широко применяются на производ­стве. Фрезы с прямыми зубьями используются лишь для обработки узких плоскостей, где преимущества фрез с винтовым зубом не оказывают большого влияния на процесс резания. Цилиндрические фрезы изготовляются из быстрорежущей стали и оснащаются твердосплавными плоскими и винтовыми пластинами.

Дисковые фрезы (рис. 11.1, б) бывают пазовые, двух- и трех­сторонние и используются при фрезеровании пазов и канавок. Пазовые дисковые фрезы имеют зубья только на цилиндрической поверхности и предназначены для обработки относительно неглу­боких пазов. Для уменьшения трения по торцам на пазовых фрезах предусматривается вспомогательный угол в плане , порядка 30°, т. е. толщина фрезы делается на периферии больше, чем в централь­ной части у ступицы. Важным элементом пазовой фрезы является ее толщина, которая выполняется с допуском 0,04...0,05 мм. По мере стачивания зубьев, в результате поднутрения, толщина фрезы уменьшается. Однако это не имеет практического значения, так как величина этого уменьшения невелика.

Рис. 11.1. Типы фрез:

а — цилиндрические; б — дисковые; в — торцовые; г, д — концевые; е — угловые; ж — фасонные: t — глубина шлифования; В — ширина шлифования; D(d) — диа­метр фрезы

Торцовые фрезы (рис. 11.1, в) широко применяются при об­работке плоскостей на вертикально-фрезерных станках. Ось их устанавливается перпендикулярно обработанной плоскости дета­ли. В отличие от цилиндрических фрез, где все точки режущих кромок являются профилирующими и формируют обработанную поверхность, у торцовых фрез только вершины режущих кромок зубьев являются профилирующими, а торцовые режущие кром­ки — вспомогательными. Основная работа резания выполняется боковыми режущими кромками, расположенными на наружной поверхности.

Торцовые фрезы обеспечивают плавную работу даже при не­большой величине припуска, так как угол контакта с заготовкой у них не зависит от величины припуска и определяется шириной фрезерования и диаметром фрезы. Торцовая фреза может быть более массивной и жесткой, по сравнению с цилиндрическими, что дает возможность удобно размещать и надежно закреплять режу­щие элементы и оснащать их твердыми сплавами. Торцовое фрезерование обеспечивает обычно большую производительность, чем цилиндрическое, поэтому в настоящее время торцовыми фрезами выполняется большинство работ по фрезерованию плоскостей.

Концевые фрезы (рис. 11.1, г, д) применяются для обработки глубоких пазов в корпусных деталях контурных выемок, уступов и взаимно-перпендикулярных плоскостей. Они крепятся в шпин­деле станка коническим или цилиндрическим хвостовиком. У этих фрез основная работа резания выполняется главными режущими кромками, расположенными на цилиндрической поверхности, а вспомогательные торцовые режущие кромки только зачищают дно канавки. Концевые фрезы, как правило, изготовляются с винтовыми или наклонными зубьями, угол наклона которых доходит до 30... 45°. Диаметр концевых фрез выбирается меньше (до 0,1 мм) ширины канавки, так как при фрезеровании наблюдается ее разбивание. Разновидностью концевых фрез являются шпоночные двухзубые фрезы. Они, подобно сверлу, могут углубляться в материал заготов­ки при осевом движении подачи и высверливать отверстие, а затем двигаться вдоль канавки. В момент осевой подачи основная работа резания выполняется торцовыми кромками, одна из которых долж­на доходить до оси фрезы, чтобы обеспечить сверление отверстия. Переточка шпоночных фрез производится по задним поверхностям торцовых кромок. При этом диаметр фрезы сохраняется неизмен­ным, что необходимо для обеспечения постоянства размера паза.

Концевые фрезы обладают высокой производительностью, не­смотря на частично срезанные зубья.

Угловые фрезы (рис. 11.1, е) используются при фрезеровании угловых пазов и наклонных плоскостей деталей. Одноугловые фрезы имеют режущие кромки, расположенные на конической поверхности и торце. Двухугловые фрезы имеют режущие кромки, которые расположены на двух смежных конических поверхностях. Угловые фрезы широко применяются в инструмен­тальном производстве для фрезерования стружечных канавок различных инструментов. В процессе работы одноугловыми фре­зами возникают осевые усилия резания, так как срезание металла заготовки производится в основном режущими кромками, рас­положенными на конической поверхности. У двухугловых же фрез осевые усилия, возникающие при работе двух смежных угловых кромок зуба, несколько компенсируют друг друга, а при работе симметричных двухугловых фрез они взаимно уравновешиваются, поэтому двухугловые фрезы работают более плавно.

Для обработки Т-образных пазов деталей, часто встречающихся в станкостроении, применяются Т-образные фрезы. Они работают в тяжелых условиях и часто ломаются из-за затруднения отвода стружки и ее пакетирования. Каждый зуб работает за один оборот фрезы дважды. Для улучшения отвода стружки такие фрезы делают с разнонаправленными зубьями и с углом поднутрения на торцах, равным = 1 ...2°.

Фасонные фрезы (рис. 11.1, ж) получили значительное распро­странение при обработке разнообразных фасонных поверхностей деталей. Достоинства применения таких фрез особенно сильно про­являются при обработке заготовок с большим отношением длины к ширине фрезеруемых поверхностей.

Особенности конструкций фрез, оснащенных твердым сплавом. Конструкции фрез и условия их работы позволяют широко исполь­зовать для их оснащения высокопроизводительные твердые сплавы, минералокерамику и СТМ, которые, однако, обладают пониженной прочностью на изгиб и хрупкостью. Широкому применению твер­дых сплавов способствуют следующие достоинства процесса фрезерования:

■ благоприятная форма стружки, имеющая малые толщину и дли­ну, обеспечивающие ее хорошую транспортабельность;

■ прерывистость процесса резания, снижающая тепловое напря­жение режущих элементов;

■ высокие жесткость и виброустойчивость.

Эти свойства обусловили благоприятные возможности для при­менения сменных пластин (СМП), а большие габаритные размеры корпусов фрез позволяют размещать элементы их крепления.

К недостаткам процесса фрезерования относятся:

■ работа с ударами;

■ высокая вероятность работы в условиях неравномерного фрезе­рования, вызывающего колебания и вибрации;

■ резание с нулевой толщиной стружки (при цилиндрическом фрезеровании);

■ затрудненное стружкоудаление при работе концевых, дисковых и пазовых фрез;

■ высокая стоимость изготовления сборных фрез при жестких тре­бованиях к осевому и радиальному биениям режущих кромок.

Однако, как показала практика, принимая меры к устранению или снижению влияния неблагоприятных факторов на стойкость и производительность процесса фрезерования, удалось добиться в большинстве конструкций фрез широкого применения новых ма­рок режущих материалов и главным образом твердых сплавов. Осо­бенно высокие результаты получены при разработке конструкций торцовых фрез, оснащенных СМП, которые практически вытеснили ранее широко применяемые фрезы с напаянными твердосплавными пластинами.

Рис. 11.2. Твердосплавные фрезы малых диаметров:

а — цельная твердосплавная концевая фреза; б — узкая дисковая фреза

Напаянные пластины используются только при изготовлении мелкоразмерных фрез, в которых не удается разместить элементы механического крепления пластин. Но даже и в этих случаях при резании труднообрабатываемых материалов предпочтение от­дается монолитным фрезам, изготовленным целиком из твердого сплава и полученным путем прессования в специальных пресс-формах.

Применяются также способы изготовления монолитных фрез или их режущей части методом вышлифовывания из твердосплав­ных заготовок алмазными кругами, а также резанием из пластифицированных заготовок с последующим их спеканием. Освоено, например, производство цельных твердосплавных концевых фрез диаметром 3... 12 мм (рис. 11.2, а), а также узких дисковых и дру­гих видов фрез с прямыми или винтовыми зубьями (рис. 11.2, б). При этом концевые фрезы изготавливаются или с цилиндрическим хвостовиком, или в виде коронок и вставок, соединяемых пайкой со стальным хвостовиком.

В настоящее время в конструкциях фрез средних и крупных размеров способ пайки твердосплавных пластин на корпусы ин­струментов используется в том случае, когда режущие пластины имеют фасонную форму. Так, например, на рис. 11.3 показана цилиндрическая фреза с напаянными винтовыми пластинами, ко­торые удается изготавливать только небольшой длины. Каждый зуб представляет собой набор из таких пластин, а их стыки оформлены в виде стружколомающих канавок. Основным недостатком такой фрезы является необходимость повторной пайки и заточки всех зубьев в случае поломки хотя бы одной из пластин. С винтовыми напаянными пластинами изготавливаются также концевые фрезы с небольшой длиной рабочей части.

Цилиндрические фрезы в силу специфики их конструкций и условий резания значительно реже по сравнению с торцовыми оснащаются твердосплавными СМП.

Торцовые фрезы допускают большое разнообразие способов крепления многогранных пластин, и поэтому в настоящее время выпускается огромное число различных типов таких фрез, наи­более сложные из которых позволяют производить регулировку положения пластин в корпусе в целях получения минимального радиального и торцового биений режущих кромок.

Анализ современных конструкций торцовых фрез показывает, что основными направлениями в использовании СМП являются:

■ крепление пластин непосредственно на корпусе или его состав­ных частях;

■ использование вкладышей с двумя-тремя базами под пластины;

■ использование механизма регулирования положения режущих кромок пластин относительно оси вращения фрезы.

Широко применяются пластины трех-, четырехгранные, в фор­ме параллелограмма, реже круглые и пятигранные, негативные и позитивные по геометрическим параметрам, с отверстиями для крепления или без них. Крепление пластин осуществляется винтами или рычагами через отверстие, а также клиньями, прижимающими пластину к гнезду в корпусе или во вкладыше.

Хвостовики концевых фрез могут быть цилиндрическими, коническими или специальными короткими цилиндрическими. Дисковые фрезы, оснащенные твердосплавными пластинами, до недавнего времени применялись обычно в напаянном варианте. Однако из-за сложности заточки и отпаивания режущих пластин при нагреве (особенно на трехсторонних фрезах) все большее рас­пространение получают фрезы с механическим креплением СМП. В конструкциях этих фрез в основном использованы те же способы и элементы крепления, что и в конструкциях торцовых фрез.

Рис. 11.3. Цилиндрическая фреза с винтовыми твердосплавными пласти­нами:

L — длина фрезы; d — диаметр фрезы; d₁ — диаметр центрального отверстия фре­зы; ω — угол наклона зубьев

Таблица 11.1. Выбор марки инструментального материала фрез при различных методах обработки

Выбор инструментального материала фрез зависит от обраба­тываемого материала заготовки, режимов обработки и требований по производительности технологических операций. Подробное описание инструментальных материалов приведено в подразд. 8.3. В табл. 11.1 приведены марки инструментального материала фрез при различных методах обработки.