Фрезеровка

ВВЕДЕНИЕ



В нашей стране работают тысячи квалифицированных фрезеровщиков. Многие из них являются новаторами производства. Они не только имеют большой опыт и практические знания, позволяющие полностью использовать технологические возможности станка и инструмента, но и изобретают и совершенствуют конструкции фрез, вспомогательный инструмент и приспособления. 

Инструмент и приспособления новаторов постоянно экспонируются на Выставке достижений народного хозяйства, получают распространение на многих предприятиях. Каждый новатор-фрезеровщик передает свой опыт, знания, мастерство молодежи и этим способствует решению общей задачи повышения эффективности труда. 



ПРОЦЕСС ФРЕЗЕРОВАНИЯ

Основные понятия и определения

Различают два основных вида фрезерования: тангенциальное, при котором режущие лезвия вращающегося цилиндрического инструмента образуют обработанную поверхность параллельно оси его вращения, и радиальное, когда лезвия вращающегося инструмента образуют обработанную поверхность перпендикулярно к оси его вращения. 

Скоростью резания v (м/мин) называется окружная скорость (м/мин) наиболее удаленных от оси вращения инструмента точек режущего лезвия. Она определяется по формуле

,

где D — диаметр окружности вращения режущего лезвия (в частном случае — диаметр фрезы), мм; n — частота вращения инструмента, об/мин. Фрезеровщику чаще приходится решать обратную задачу — определять потребную частоту вращения (об/мин) фрезы заданного диаметра в зависимости от принятой скорости резания

.

Подачей s называется путь, проходимый заготовкой относительно фрезы (или наоборот) в единицу времени. Различают три вида подач: на зуб, на оборот и минутную. Подача на зуб (мм/зуб) — перемещение заготовки за время поворота фрезы на один зуб. Подачей на оборот  (мм/об) является перемещение заготовки за время поворота фрезы на один оборот. Минутная подача (мм/мин) — перемещение заготовки за 1 мин. Зависимость указанных подач выражается формулами:

;

.

Глубина резания t — толщина слоя материала заготовки (мм), срезаемого за один рабочий ход.

Шириной фрезерования B называется ширина (мм) поверхности заготовки, обрабатываемой за один рабочий ход, измеренная в направлении, перпендикулярном к направлению подачи (движению заготовки).

Сечение стружки (среза), снимаемой одним зубом фрезы, описывается двумя дугами контакта лезвия фрезы с поверхностью лезвия. Оно имеет форму запятой. Расстояние между этими дугами переменное — оно изменяется от значения, близкого к нулю, до некоторого максимума, близкого к . Это расстояние (мм) принято называть толщиной срезаемого слоя (стружки) а.

Другими элементами, характеризующими срезаемый слой, являются: его ширина b (мм), которая представляет собой длину соприкосновения зуба фрезы с заготовкой и измеряется вдоль главного лезвия, в частном случае, при фрезеровании прямозубой цилиндрической фрезой b = B; площадь поперечного сечения слоя, срезаемого одним зубом, f = ab (мм2); суммарная площадь поперечного сечения среза F (мм2), снимаемого всеми зубьями фрезы, находящимися в данный момент в контакте с заготовкой.

Для определения площади поперечного сечения среза при цилиндрическом фрезеровании необходимо знать следующие величины: — угол контакта фрезы — центральный угол, соответствующий дуге соприкосновения окружности фрезы с заготовкой, измеряемый в плоскости, перпендикулярной к оси фрезы;  — центральный угол между двумя соседними зубьями фрезы,

.

Число зубьев, одновременно находящихся в работе (контакте с материалом),

.

Угол контакта находится из треугольник АОБ

.

Угол контакта при торцевом фрезеровании

.

Максимальная толщина срезаемого материала

.

Суммарное (среднее) значение площади поперечного сечения среза определяется в зависимости от числа зубьев, одновременно находящихся в контакте.

.

или от элементов резания

.

Значение  используется для определения силы резания при фрезеровании.

Силы резания и мощность при фрезеровании

Силы резания. При фрезеровании каждый зуб фрезы преодолевает сопротивление резанию со стороны материала заготовки и силы трения, действующие на поверхностях зубьев фрезы. Обычно в контакте с заготовкой находится не один зуб, и поэтому фреза преодолевает некоторую суммарную силу резания, складывающуюся из сил, действующих на эти зубья. Схема действия сил резания при фрезеровании зависит от принятого способа фрезерования и типа фрезы.

Как тангенциальное (например, цилиндрической фрезой), так и радиальное (например, торцевой фрезой) фрезерование может осуществляться двумя способами: против подачи, так называемое встречное фрезерование, когда направление подачи противоположно направлению вращения фрезы, и фрезерование по подаче — попутное фрезерование, когда направление подачи и вращение фрезы совпадают.

При встречном фрезеровании нагрузка на зуб возрастает от нуля до максимума; при этом зубья фрезы, действуя на заготовку, стремятся «оторвать» ее от стола станка или приспособления, в котором она закреплена. Такое направление силы вызывает в ряде случаев (при больших припусках на обработку) упругие деформации в системе СПИД, что, в свою очередь, приводит к вибрациям и увеличению шероховатости обработанной поверхности. Зубья фрез при этом интенсивно изнашиваются, так как в момент врезания в заготовку их задние поверхности трутся об упрочненную, уже обработанную поверхность, преодолевая значительную силу трения.

Преимуществом встречного фрезерования перед попутным является работа зубьев фрезы из-под корки. Режущие лезвия в момент входа в зону хрупкого металла повышенной твердости (корки) прекращают контакт своей задней поверхности с заготовкой в точке Б, так как происходит скол стружки.

При попутном фрезеровании зуб врезается в материал в точке А, начиная работать при максимальной толщине срезаемого слоя и наибольшей нагрузке, что исключает начальное проскальзывание зуба. При попутном фрезеровании получается поверхность с меньшей шероховатостью и более высокой точностью, так как зубьями фрезы во время обработки заготовка прижимается к столу станка, что уменьшает вибрацию.

Для успешного применения попутного фрезерования необходимо беззазорное соединение ходового винта и маточной гайки стола станка.

Учитывая достоинства и недостатки рассмотренных методов, попутное фрезерование используют для предварительных и чистовых работ при отсутствии корки, на жестких станках с компенсаторами зазоров в узлах стола. Встречное фрезерование рекомендуется для предварительной обработки, и особенно при работе по корке.

На каждый зуб фрезы, находящийся в пределах угла контакта, действует своя сила сопротивления срезаемого слоя. Каждую из этих сил можно разложить на составляющие, действующие тангенциально (по касательной) к зубьям фрезы и по радиусам фрезы. Суммарная окружная, или касательная, сила  и радиальная сила  имеют равнодействующую R, которую можно разложить на две силы — горизонтальную  и вертикальную .

Окружная, или касательная, сила  имеет наиболее важное значение, так как производит основную работу резания. По значению силы  определяют мощность электродвигателя привода станка и рассчитывают на прочность валы, зубчатые колеса и другие звенья привода станка.

Радиальная сила  характеризует то усилие, с которым обрабатываемая заготовка стремится оттолкнуть от себя фрезу; эта сила изгибает фрезерную оправку и давит на опоры шпинделя.

Горизонтальная составляющая силы резания  определяет усилие, которое необходимо приложить к столу ставка для осуществления рабочей подачи.

При встречном фрезеровании направление горизонтальной составляющей  противоположно направлению движения (по стрелке s) стола. При попутном фрезеровании горизонтальная составляющая  направлена в сторону движения стола.

При фрезеровании цилиндрической фрезой с винтовыми зубьями равнодействующая силы  составляет с осью фрезы острый угол, следовательно, появляется осевая сила , направленная параллельно оси фрезы. В зависимости от направления винтовых зубьев фрезы меняется и направление силы . Для создания более благоприятных условий фрезерования целесообразно применять фрезу с таким направлением зуба, чтобы сила  была направлена к шпинделю; в противном случае осевая сила будет стремиться вытянуть фрезу с оправкой из посадочного конусного отверстия шпинделя.

Для того чтобы уравновесить действия осевых сил, иногда прибегают к использованию набора из двух фрез с правым и левым направлениями винтовых канавок между лезвиями.

При фрезеровании торцевыми фрезами действуют те же силы, что и при фрезеровании цилиндрическими.

Значение главной составляющей силы резания — окружной силы  — определяется по эмпирической, т. е. найденной опытным путем, формуле

,

где  — постоянный коэффициент, зависящий от свойств обрабатываемого материала, типа фрезы и ее геометрии; ,  и  —  показатели степени, также зависящие от механических характеристик обрабатываемого материала, типа и геометрии фрезы. Значения ,  ,  и  приводятся в справочниках по выбору параметров режимов резания.

Соответственно значениям действующих сил резания выбирают фрезу, оправку, способ закрепления заготовки, жесткость и мощность станка.

Значение отдельных составляющих силы резания можно определить, зная .

При встречном фрезеровании цилиндрическими, дисковыми, фасонными и работающими периферией концевыми фрезами:

; ; .

При попутном фрезеровании:

; ; .

При фрезеровании торцевыми фрезами и работающими торцом концевыми

; ; .

Осевая составляющая силы резания  для фрез с винтовыми зубьями находится из соотношения

,

где  — угол наклона винтовой канавки.

Для приближенных расчетов иногда пользуются значениями давления р,  под которым принято понимать силу резания, приходящуюся на единицу поперечного сечения площади срезаемого слоя. Давление зависит не только от механических свойств обрабатываемого материала, но и от наибольшей толщины стружки. Для более тонких стружек давление при прочих равных условиях увеличивается и уменьшается для стружек большей толщины.

Зная крутящий момент  фрезы и частоту ее вращения, можно определить мощность

,

В целях обеспечения эффективной мощности на шпинделе необходимо, чтобы электродвигатель станка обладал большей мощностью, так как часть ее расходуется на трение в подшипниках, зубчатых передачах, направляющих и др.

Потери на трение характеризуются коэффициентом полезного действия станка . Для фрезерных станков общего назначения . Таким образом, на полезную работу, т.е. на работу фрезерования расходуется 75—85 % мощности электродвигателя.

Для определения эффективной мощности , которую можно использовать на резание, следует мощность электродвигателя  умножить на КПД станка, т. е.

.

Для расчета потребной мощности электродвигателя станка  по эффективной мощности необходимо эффективную мощность  разделить на КПД станка, т. е.

.

Равномерность фрезерования. Площадь поперечного сечения стружки при фрезеровании непостоянна. Она изменяется от значения, близкого к нулю, до некоторого максимума. Соответственно этому в таких же пределах меняется сила резании. Это, в свою очередь, вызывает неравномерность нагрузки, проявляющуюся в виде вибраций и толчков. Такие явления в процессе фрезерования разрушают режущие лезвия инструмента, способны расстроить станок и снизить срок его службы Особенно резкие колебания силы резания наблюдаются при работе, прямозубыми фрезами Значительно более равномерным являются фрезерование фрезами с винтовыми зубьями. В особых условиях фрезерование такими фрезами можно вести с постоянной площадью суммарного сечения среза, т. е. при отсутствии колебаний силы резания. Такое фрезерование называется равномерным.

Условие равномерного фрезерования фрезами со спиральными зубьями можно кратко выразить так: для равномерного фрезерования ширина фрезерования В должна быть равна осевому шагу фрезы или кратна ему (в целых числах). Это выражается формулой

,

где K = 1, 2, 3 и т.д.;  — угол наклона винтового зуба фрезы. При угле  = 20° ctg=2,75; при  = 40° ctg=1,1; при  = 30° ctg=1,73; при = 45° ctg=1. Для заготовок различной ширины условие равномерного фрезерования не всегда может быть выполнено В этих обстоятельствах, если принять К = 2 или К = 3, неравномерность становится относительно небольшой — изменения силы резания не превышают 20%, что допустимо.

КАЧЕСТВО ФРЕЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ

Требования к точности фрезерной обработки.

Качество машины или другой продукции — важнейший показатель не только для оценки самого изделия, но и работы машиностроительного завода. Под качеством продукции понимают совокупность (сумму) взаимосвязанных свойств, определяющих ее пригодность для использования по назначению. Повышение качества выпускаемой продукции имеет огромное значение. Увеличивается эффективность общественного производства, улучшается использование материальных ресурсов, лучше удовлетворяются потребности общества, людей в продукции народного хозяйства.

Показатели качества и надежности выпускаемой продукции являются сейчас важнейшими характеристиками работы предприятий. Ведется специальный учет качества, принимаются все возможные меры для повышения качества изделий, в том числе поощрение рабочих.

Для гарантии определенного качества изделий и стимулирования производства изделий высокого качества в нашей стране введена государственная аттестация качества продукции. Если показатели качества какого-либо изделия превышают, требования, установленные стандартами для данного вида продукции, и соответствуют высшим показателям качества, достигнутым в отечественной и зарубежной промышленности, такой продукции присваивают государственный Знак качества. Изделия, отмеченные государственным Знаком качества, пользуются повышенным спросом в нашей стране и за рубежом. Каждый рабочий, инженер, техник должен изыскивать и использовать все резервы повышения качества работы на своем заводе, в цехе, на участке и рабочем месте.

Важнейшим показателем качества машиностроительной продукции, от которого зависят многие эксплуатационные характеристики машин, является точность изделий. Точностью изделия в машиностроении называют степень его соответствия заранее установленному образцу. Когда же говорят о точности детали, то обычно под точностью понимают степень соответствия реальной детали, полученной механической обработкой заготовки, по отношению к детали, заданной чертежом и техническими условиями на изготовление, т. е. соответствие формы, размеров, взаимного расположения обработанных поверхностей, шероховатости поверхности обработанной детали требованиям чертежа.

Следовательно, точность — понятие комплексное, включающее всестороннюю оценку соответствия реальной детали по отношению к заданной, в том числе оценку шероховатости поверхности.

При работе на металлорежущих станках применяют следующие методы достижения заданной точности:

обработку по разметке или с использованием пробных проходов путем последовательного приближения к заданной форме и размерам; после каждого прохода инструмента контролируют полученные размеры и решают, какой еще припуск необходимо снять; точность в этом случае зависит от квалификации рабочего;

обработку методом автоматического получения размеров, когда инструмент предварительно настраивается на нужный размер, а затем обрабатывает заготовки в неизменном положении; в этом случае, точность зависит от квалификации наладчика и способа настройки;

автоматическую обработку на копировальных станках и станках с числовым программным управлением (ЧПУ), где точность зависит от точности действия системы управления.

Но какой бы станок или способ обработки не применяли, несколько деталей, даже обработанных на одном и том же станке одним и тем же инструментом, будут немного отличаться друг от друга. Это объясняется появлением неизбежных погрешностей обработки, которые служат мерой точности обработанной детали.

Фрезерование — один из основных способов обработки материалов резанием. Фрезами обрабатывают плоские и криволинейные поверхности, разнообразные пазы, канавки, шлицы, зубья шестерен, резьбы и многое другое. Почти любая деталь современной машины проходит несколько фрезерных операций.

Наиболее часто на фрезерных станках обрабатывают корпусные и плоскостные детали. Несмотря на огромное разнообразие форм и размеров, общим для всех этих деталей являются значительные по размерам плоские обрабатываемые поверхности. При фрезеровании плоских поверхностей требуется, прежде всего, обеспечить правильную форму поверхности, которая оговаривается на чертеже в виде допускаемых отклонений от плоскостности (неплоскостность) и прямолинейности (непрямолинейность),

ФРЕЗЕРНЫЕ СТАНКИ И ИХ ЭКСПЛУАТАЦИЯ

Основные сведения о фрезерных станках.

Металлорежущие станки отечественного производства в зависимости от вида обработки разделяются на девять групп. В свою очередь, каждая группа делится на девять подгрупп, представляющих станки по их типам. Фрезерные станки относятся к шестой группе. 

Наиболее распространенными типами фрезерных станков являются горизонтальные, универсальные и вертикальные. 

Горизонтальные консольно-фрезерные станки имеют горизонтально расположенный, не меняющий своего места шпиндель. Стол может перемешаться перпендикулярно к оси шпинделя в горизонтальном и вертикальном направлениях и вдоль оси, параллельной ей.

Универсальные консольно-фрезерные станки отличаются от горизонтальных тем, что имеют стол, который может поворачиваться на требуемый угол.

Вертикальные консольно-фрезерные станки имеют вертикально расположенный шпиндель, перемещающийся вертикально и в некоторых моделях поворачивающийся. Стол может перемещаться в горизонтальном направлении перпендикулярно к оси шпинделя и в вертикальном направлении.

Широкоуниверсальные   консольно-фрезерные станки в отличие от универсальных имеют помимо основного горизонтального шпинделя приставную головку со шпинделем, поворачивающимся вокруг вертикальной и горизонтальной осей.

Бесконсольно-фрезерные станки имеют шпиндель, расположенный вертикально и перемещающийся в этом направлении. Стол перемещается только в продольном и поперечном направлениях.

Продольно-фрезерные станки располагают столом, который может перемещаться только в продольном направлении по направляющим поверхностям станины. Вертикальные и поперечные перемещения получают шпиндельные бабки и шпиндели. Станки могут иметь, до двух вертикальных и до двух горизонтальных шпинделей при одно- и двухстоечном исполнениях.

Объемно-фрезерные станки по принципу действия делятся на станки прямого и следящею копирования, осуществляемого путем ощупывания модели копировальным пальнем, а также на станки программного управления, работающие одновременно и непрерывно по трем взаимно перпендикулярным координатам.

Фрезерные станки непрерывного действия (карусельные) имеют вертикально расположенный шпиндель (шпиндели), установочно перемещающиеся по вертикали, и круглый стол, который может непрерывно вращаться со скоростью рабочей подачи, Закрепление и обработка заготовок многопозиционные Примером таких станков может служить станок модели 6А23 с диаметром стола 1400 мм.

Шпоночно-фрезерные станки (относятся к типу «разные») имеют вертикальный шпиндель, осуществляющий вращательное и одновременно с ним планетарное движение. Диаметр планетарного движения может изменяться в соответствии с заданной шириной шпоночного гнезда. Стол перемещается возвратно-поступательно в продольном направлении.  Рабочий цикл автоматизирован. Примерами этих станков могут быть станки моделей 6Д91, 6Д92 и т. д.