Торцовая фреза
END MILL

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения, в частности, к металлорежущему инструменту и может быть использовано на фрезерных станках для получения плоских поверхностей с низкой волнистостью и шероховатостью.
В настоящее время фрезы, аналогичные предлагаемой, известны. К ним относятся, например, описанные на сайте «http://stanki-uchpu.ru/geometrij-frez/Машиностроение. Расчет геометрических параметров фрез». Такие фрезы имеют зачистной зуб (или несколько) с передним углом, близким к нулю. При работе фрезы он сглаживает волнистость и шероховатость обрабатываемой поверхности, что зачастую бывает необходимо при чистовом фрезеровании. Вместе с тем большинство известных фрез-аналогов имеет существенный недостаток: положение зачистного зуба в них не регулируется, а это не дает возможности настраивать и поднастраивать требуемый угол. В результате, при их эксплуатации обеспечить малую волнистость и шероховатость поверхности удается не всегда. Отмеченного недостатка в значительной степени лишена фреза фирмы«Фельдмюлле», рассмотренная в описании Авторского свидетельства СССР №1756036. Она содержит корпус, в пазу которого на оси установлена державка с режущей пластиной, взаимодействующая со дном паза и регулировочным винтом для настройки требуемого угла. Державка с пластиной представляет собой, по существу, зачистной зуб фрезы. Однако диапазон регулирования указанного угла у данного аналога мал. Более широк он у фрезы, предложенной автором Авторского свидетельства №1756030, кл. В23С5/06, М.П. Журавлевым. Фреза М.П. Журавлева, насколько можно судить из ее описания и приложенных к описанию иллюстраций, содержит корпус, в пазу которого на оси, расположенной в плоскости, параллельной торцу фрезы, установлена державка с режущей пластиной. На конце державки, противоположной пластине, выполнены параллельные сквозные отверстия, одно из которых гладкое, а другое резьбовое, направленные ко дну паза. На дне паза выполнены два скоса, симметричных относительно оси державки, и глухое резьбовое отверстие. В последнем и в гладком отверстии державки размещен упорный винт, а в резьбовом отверстии державки с возможностью взаимодействия с дном паза размещен регулировочный винт. Вращая упорный винт, можно устанавливать разную величину углав пределах, допустимых скосами. С помощью регулировочного винта установленное значение угла можно зафиксировать, упираясь торцом этого вита в дно паза.
Фреза М.П. Журавлева позволяет повысить качество обрабатываемой поверхности, поскольку в определенной степени может быть адаптирована к различным условиям ее применения. Тем не менее, и она не всегда позволяет устранить волнистость обрабатываемой поверхности и существенно снизить шероховатость. Особенно это имеет место в тех случаях, когда неровности поверхности вызываются вибрациями фрезы (радиальными и осевыми).
Более совершенной в этом отношении является торцовая фреза, защищенная патентом РФ №196536 на полезную модель, принятая нами за прототип.
Торцовая фреза - прототип содержит корпус, в пазу которого, на оси, расположенной в плоскости параллельной торцу фрезы, установлена державка с режущей пластиной, причем на конце державки, противоположном пластине, выполнено гладкое сквозное отверстие, направленное ко дну паза, на дне паза выполнено два скоса, симметричных относительно оси державки, и резьбовое отверстие, а в последнем и в гладком отверстии державки размещен упорный винт. Кроме того, она снабжена тарельчатой пружиной, установленной на упорном винте между державкой и дном паза, а державка выполнена в виде двух секций, первая из которых включает в себя ось, а вторая - режущую пластину, при этом секции упруго соединены друг с другом с возможностью перемещения второй по направлению к первой.
При работе фрезы используется эффект, описанный в работе «И.С. Амосов, В.А. Скраган. Точность, вибрации и чистота поверхности при токарной обработке. - М: - Л.:, Машгиз, 1953» на стр. 50-51. В начале резания под действием радиальной составляющей силы резания державка несколько поворачивается относительно оси, сжимая тарельчатую пружину. Под действием осевой составляющей силы резания вторая секция державки несколько перемещается относительно первой секции. В результате вторая секция занимает некоторое среднее положение в пространстве, соприкасаясь режущей пластиной с обрабатываемой поверхностью.
Обрабатывая волнистую поверхность, пластина срезает слой металла (стружку) меняющейся толщины. В тот момент, когда пластина снимает более толстую стружку, возросшие силы резания несколько отжимают пластину и потому в следующий момент она снимает стружку меньшей толщины, чем было бы при жестком закреплении державки и ее секций. В тот момент, когда пластина снимает стружку меньшей толщины (силы резания уменьшаются), силы упругости элементов державки приближают пластину к обрабатываемой поверхности и она начинает снимать стружку большей толщины. Таким образом стружка при обработке предложенной фрезой получается более равномерной толщины, чем при обработке фрезой с жестко установленной державкой и режущей пластиной. При более равномерной толщине стружки и колебания сил резания становятся меньше. Но, поскольку именно колебания сил являются причиной вибраций, последние уменьшаются.
Эффективная работа фрезы, однако, происходит лишь в тех случаях, когда собственные колебания державки и второй ее секции имеют вполне определенную частоту, определенным образом соотносящуюся с волнистостью обрабатываемой поверхности. Поскольку эта частота обусловлена жесткостью элементов фрезы, а она у элементов фрезы постоянна, то получается, что в одних случая фреза-прототип выполняет свою функцию хорошо, а в других - плохо. При одной волнистости обрабатываемой поверхности она ее устраняет, при другой - нет.
Для того, чтобы фреза выполняла свою функцию («выглаживала» обрабатываемую поверхность) одинаково хорошо при разной волнистости поверхности, необходимо, чтобы частота собственных колебаний державки и второй ее секции была регулируемой. По отношению ко всей державке, это осуществить нетрудно - путем замены тарельчатой пружины. Сделать это просто - достаточно открутить упорный винт. Поменяв тарельчатую пружину, изменим соответствующую жесткость, а поскольку частота собственных колебаний державки зависит от жесткости, то легко изменим и частоту. Что касается изменения жесткости упругого соединения первой и второй секций державки, то во фрезе-прототипе, без полной ее разборки, ее изменить невозможно.
В связи с изложенным, возникает проблема расширения адаптационной способности фрезы без ее полной разборки, а именно, проблема обеспечения регулирования жесткости упругого соединения первой и второй секций державки друг с другом, что даст возможность регулирования частоты собственных колебаний второй секции державки, и обеспечит уменьшение волнистости поверхности обрабатываемой фрезой при разной волнистости.
Технически решение сформулированной проблемы обеспечивается за счет того, что торцовая фреза, содержащая корпус, в пазу которого на оси, расположенной в плоскости, параллельной торцу фрезы, установлена державка с режущей пластиной, причем на конце державки, противоположном пластине, выполнено гладкое сквозное отверстие, направленное к дну паза, на дне паза выполнено два скоса, симметричных относительно оси державки, и резьбовое отверстие, в последнем и в гладком отверстии державки размещен упорный винт, на упорном винте между державкой и дном паза установлена тарельчатая пружина, державка выполнена в виде двух секций, первая из которых включает в себя ось, а вторая - режущую пластину, при этом секции упруго соединены друг с другом с возможностью перемещения второй по направлению к первой, отличатся от прототипа тем, что на оси установлен эксцентрик, в первой секции державки с возможностью взаимодействия с эксцентриком размещен толкатель, а упругое соединение секций выполнено с помощью пружины переменной жесткости, установленной между толкателем и второй секцией.
На фиг. 1 показан фрагмент сечения фрезы в осевой плоскости, на фиг. 2 - вид по стрелке А на фиг. 1.
Предлагаемая фреза содержит корпус 1, в пазу которого, на оси 2, расположенной в плоскости параллельной торцу 3 фрезы, установлена державка с режущей пластиной 4, причем на конце державки, противоположном пластине, выполнено гладкое сквозное отверстие 5, направленное к дну паза, на дне паза выполнено два скоса 6 и 7, симметричных относительно оси 2 державки, и резьбовое отверстие 8, а в последнем и в гладком отверстии 5 державки размещен упорный винт 9. Кроме того, фреза снабжена тарельчатой пружиной 10, установленной на упорном винте 9 между державкой и дном паза, а державка выполнена в виде двух секций 11 и 12, первая из которых (11) включает в себя ось 2, а вторая (12) - режущую пластину 4.На оси 2 установлен эксцентрик 13, который взаимодействует с толкателем 14. Секции 11 и 12 соединены между собой упруго с помощью пружины 15 с переменной жесткостью (эта пружина выполнена конической, но может быть и цилиндрической с переменным шагом витков или с витками разной толщины). Пружина 15 одним концом опирается на толкатель 14, а другим концом - на секцию 12.
Установка винта 9 в отверстие 5 выполнена с зазором, а в отверстие 8 - с натягом.
Для того, чтобы секция 12 перемещалась по направлению к секции 11 без проворота, в секции 12 имеется стержень 16, концы которого располагаются в продолговатых окнах 17 (их ширина равна диаметру стержня). Стержень 16 и окна 17 также препятствуют полному отделению секции 12 от секции 11. Для предотвращения самопроизвольного проворота оси 2 она фиксируется резьбовой пробкой 18.
При работе фрезы, подобно прототипу, используется эффект, описанный в работе «И.С. Амосов, В.А. Скраган. Точность, вибрации и чистота поверхностипри токарной обработке. - М: - Л.:, Машгиз, 1953» на с. 50-51. В начале резания под действием радиальной составляющей силы резания державка несколько поворачивается относительно оси 2, сжимая тарельчатую пружину 10. Под действием осевой составляющей силы резания секция 12 несколько перемещается в направлении секции 11, сжимая пружину 15. В результате секция 12 занимает некоторое среднее положение в пространстве, соприкасаясь пластиной 4 с обрабатываемой поверхностью. Это среднее положение определяется настройкой винта 9 и жесткостью пружин 10 и 15. Жесткость пружин регулируется перед началом эксплуатации фрезы. Для этого (опыт показывает, что это требуется весьма редко), откручивают винт 9 и устанавливают пружину 10 нужной жесткости. Затем окручивают пробку 18 и поворачивают ось 2 так, чтобы эксцентрик 13, воздействуя через толкатель 14 сжал на нужную величину пружину переменной жесткости 15. Поскольку частота собственных колебаний ƒ всякой механической системы, как известно, равна  где g - жесткость системы, а m - ее масса, то описанная регулировка обеспечит такое , какое требуется для устранения волнистости обрабатываемой поверхности. Если результат окажется не вполне удовлетворительным, то пробку 18 нужно сперва выкрутить, а ось 2 «довернуть». Частота f собственных колебаний секции 12 изменится.
Обрабатывая волнистую поверхность, пластина 4 срезает слой металла (стружку) меняющейся толщины. В тот момент, когда пластина срезает более толстую стружку, возросшие силы резания несколько отжимают пластину, и потому в следующий момент она снимает стружку меньшей толщины, чем было бы без пружин 10 и 15 при жестком закреплении державки и ее секций. В тот момент, когда пластина снимает стружку меньшей толщины (силы резания уменьшаются), силы упругости пружин 10 и 15 приближают пластину 4 к обрабатываемой поверхности, и она начинает снимать стружку большей толщины. Таким образом стружка при обработке предложенной фрезой получается более равномерной толщины, чем при обработке жестко установленной державкой и режущей пластиной. При более равномерной толщине стружки - и колебания сил резания становятся меньше. Но, поскольку именно колебания сил являются причиной вибраций, последние уменьшаются, или даже полностью уничтожаются.
Отмеченное имеет место наилучшим образом, когда частота собственных колебаний ƒ близка к частоте вынужденных колебаний, обусловленных режимами фрезерования. В этом случае энергия колебаний сил резания рассеивается также наилучшим образом. Предложенная торцовая фреза легко может быть отрегулирована так, чтобы указанная близость частот имела место. Это повлечет за собой снижение волнистости и шероховатости обрабатываемой поверхности в большей степени, чем фреза - прототип, что является техническим результатом предложения.