Что такое неравномерное фрезерование
§ 60. Равномерность фрезерования
В процессе фрезерования прямозубой фрезой зуб фрезы входит в контакт с обрабатываемой заготовкой и выходит из него сразу по всей ширине фрезерования. При некоторых условиях может оказаться, что в работе будет находиться только один зуб прямозубой фрезы, т. е. когда впереди идущий зуб уже вышел из контакта с обрабатываемой заготовкой, а следующий за ним зуб не вошел в контакт.
В этом случае площадь поперечного среза будет изменяться от нулевого значения до максимального с последующим падением до нуля, или от максимального значения до нуля. Так же неравномерно будет изменяться сила резания, а следовательно, будет неравномерная периодическая нагрузка на станок, инструмент и обрабатываемую заготовку. Указанное явление носит название неравномерности фрезерования. Чем больше число одновременно работающих зубьев прямозубой фрезы, тем больше равномерность фрезерования. Большую равномерность фрезерования можно обеспечить при работе с фрезами с винтовыми канавками.
Однако и при фрезеровании цилиндрическими фрезами с винтовыми канавками можно достичь разной степени равномерности фрезерования. Существуют условия, при которых можно обеспечить постоянство сечения среза, а следовательно, и постоянную силу резания.
Площадь поперечного сечения будет постоянной только тогда, когда ширина фрезерования В, угол наклона винтовой канавки фрезы со и окружной шаг фрезы связаны соотношением (рис. 192).
Рис. 192. Условия равномерного и неравномерного фрезерования
Это условие можно сформулировать так: для обеспечения равномерного фрезерования ширина фрезерования должна равняться осевому шагу фрезы. В справедливости этого условия можно убедиться из рассмотрения рис. 192, на котором показаны положения зубьев цилиндрической фрезы относительно поверхности резания (см. рис. 13) (заштрихованная полоса, соответствующая дуге контакта зуба фрезы с обрабатываемой заготовкой).
Для данного диаметра фрезы длина дуги контакта зависит от глубины фрезерования. Проследим за изменением длины контакта зубьев фрезы с обрабатываемой заготовкой и время поворота фрезы на один зуб при соответственном перемещении заготовки на величину подачи на зуб sz.
В момент выхода зуба 1 из контакта с обрабатываемой заготовкой (рис. 192, а) следующий зуб фрезы 2 имеет максимальную длину контакта. По мере дальнейшего поворота фрезы длина контакта его остается постоянной до положения, показанного на рис. 192, б. В этот период в контакте будет находиться только один зуб фрезы 2 и снимать стружку постоянного сечения. Так как сечение среза для этого периода будет постоянным, то будет постоянной и сила резания.
В момент, когда длина контакта зуба 2 начинает уменьшаться, вступает в контакт следующий зуб фрезы — 3 (см. рис. 192, б).
Легко видеть, что при дальнейшем повороте фрезы и перемещении заготовки длина контакта зуба 3 увеличивается на такую величину, на какую уменьшается длина контакта двух одновременно режущих зубьев (2 и 3), затем остается постоянной и равной длине контакта в предыдущем периоде (см. рис. 192, а). Это означает, что будет то же сечение среза и та же сила резания и в этот период. Увеличение длины контакта зуба 3 и соответственное уменьшение длины контакта зуба 2 будет продолжаться до момента его выхода из контакта с обрабатываемой заготовкой. Зуб 3 в этот период будет иметь максимальную длину контакта — до момента входа в контакт следующего зуба фрезы и т. д. Таким образом, при указанных ранее условиях фрезерование будет производиться с постоянным сечением среза, а следовательно, и с постоянной силой резания, т. е. будет осуществлено так называемое равномерное фрезерование.
Чем больше будет несоответствие между осевым шагом и шириной фрезерования при фрезеровании цилиндрическими фрезами с винтовыми канавками, тем больше будет неравномерность фрезерования. Так, на рис. 193 показан случаи, когда ширина В фрезерования значительно меньше осевого шага т фрезы, т. е. когда размер фрезы значительно больше ширины фрезерования.
Рис. 193. Условия неравномерного фрезерования
Как видно из рисунка, сечение среза в этом случае будет изменяться от нуля до максимального значения (изображенного на рис. 193) и до нуля. Также неравномерно будут изменяться и составляющие силы резания.
При торцовом фрезеровании всегда имеет место неравномерность фрезерования. Так, при фрезеровании однозубой торцовой фрезой окружная сила резания будет изменяться в соответствии с законом изменения толщины среза для данного отношения ширины фрезерования t к диаметру фрезы D. При t / D = 1 сила резания будет увеличиваться от нуля до максимального значения и падать снова до нуля.
Условие равномерности фрезерования
Встречное и попутное фрезерование
Цилиндрическое фрезерование может осуществляться двумя способами:
Схемы а) встречного и б) попутного фрезерования
б) попутное фрезерование (по подаче) – направление подачи и вращение фрезы совпадают. Толщина стружки изменяется от max до 0. Фреза прижимает заготовку к столу станка. Способ обеспечивает хорошую точность при небольшой глубине резания и применяется при чистовой обработке.
Условие равномерности фрезерования
В момент выхода зуба 1 из контакта с обрабатываемой заготовкой (рис. а) следующий зуб фрезы 2 имеет максимальную длину контакта. По мере дальнейшего поворота фрезы длина контакта его остается постоянной до положения, показанного на рис. б. В этот период в контакте будет находиться только один зуб фрезы (2) и снимать стружку постоянного сечения. Так как сечение среза для этого периода будет постоянным, то будет постоянной и сила резания.
В = Sос 
К, где К – коэффициент равномерности фрезерования
К = 1;2;3;4 и т.д. Sос = 
; SТ = 
; Sос = 
В = Sос К = 
К, отсюда
К = 
= 1;2;3;4 и т.д
7. Сила резания и мощность при фрезеровании (рис.60)
Силы резания при фрезеровании: а) – разложение силы резания Р на составляющие; б) – осевая сила Ро; Рх, Ру, Pz – составляющие силы резания на координатные оси; Рв, Рг – соответственно вертикальная и горизонтальная составляющие силы резания; ω – угол наклона зуба фрезы
При фрезеровании действуют силы, которые можно разложить на составляющие Pz; Py; Px
Осевая составляющая силы резания Px= Pz tgω сдвигает заготовку вдоль оси фрезы и преодолевается силой подачи станка.
Радиальная сила Py – отжимает фрезу от заготовки (учитывается при проектировании оправки). Касательная сила Pz – создаёт момент сопротивления резанию и преодолевается механизмом главного движения станка.
Сила Pz определяется по формуле ф формуле:
Pz = 
Kp кгс (н)
Величины коэффициентов и показателей степеней выбираются по справочникам.
Мощность, потребная на резание 
кВт
Торцовые фрезы кроме переднего и заднего углов аналогичных цилиндрическим фрезам имеют также главный угол в плане φ и вспомогательный угол в плане φ1.
Главный угол в плане предназначен для уменьшения вибрации при обработке. Обычно φ = 60°.
Вспомогательный угол в плане φ1 = 2…10° для уменьшения местного резания и трения об обработанную поверхность.
Тема 5.3 Расчёт и конструирование фрез
1. Классификация фрез
Фрезы классифицируются по технологическому и конструктивному признакам
По технологическому признаку различают фрезы для обработки плоскостей, пазов и шлицов, фасонных поверхностей, зубчатых колёс и резьб, для разрезки металлов.
По конструктивным признакам различают:
а) по направлению зуба – с прямыми, наклонными и винтовыми, а также с разнонаправленными зубьями;
б) по конструкции зуба – с остроконечными (острозаточенными) и затылованными зубьями;
в) по способу крепления зубьев – цельные, со вставными зубьями, сборные головки со вставными зубьями, с многогранными неперетачиваемыми пластинкам;
г) по способу крепления фрез на станке – концевые (хвостовые) с цилиндрическим или коническим хвостовиком, насадные (фрезы с отверстием).
Формы заточки зубьев фрез
В зависимости от формы обрабатываемой поверхности фрезы по форме зубьев различают на остроконечные (острозаточеные) и затылованные. В основном используются остроконечные зубья фрезы. Различают 3 типа остроконечных зубьев:
б) с двойной спинкой – наиболее распространён, как сочетающий достоинства трапециедального и параболического зубьев.
в) параболический – имеет повышенную прочность, но сложнее в изготовлении.
Переточка остроконечных фрез производится по задней поверхности, что легко осуществимо, но после переточки у этих фрез уменьшается пространство под стружку и теряется профиль. Поэтому при фрезеровании фасонных поверхностей применяются фрезы с затылованными зубьями, у которых задняя поверхность очерчена по спирали Архимеда и переточка производится по передней поверхности.
Основным достоинством (преимуществом) затылованного зуба является то, что после переточки по передней поверхности зуб сохраняет свой профиль h = const.
Величина АВ = K называется величиной падения кривой затылования
Процессы механической обработки металла
Главная > Лекция >Промышленность, производство
10. Расчет одновременно работающих зубьев при цилиндрическом фрезеровании. Равномерное фрезерование.
Рис. 24 Схема для определения количества зубьев косозубой фрезы, одновременно находящихся в работе
Для определения количества зубьев фрезы, одновременно участвующих в процессе резания, развернем цилиндрическую поверхность фрезы на площадь ее контакта с заготовкой (рис.24). Тогда можно записать:
где m 1 – число зубьев прямозубой цилиндрической фрезы, которая могла бы заменить данную косозубую:
Число зубьев фрезы m 2 можно найти из А`K`A:
где h – торцовый шаг фрезы.
Отсюда величина m равна:
Рис. 25 Влияние числа одновременно работающих зубьев прямозубой фрезы
для прямозубой фрезы невозможно получить равномерного фрезерования.
Рис. 26 Изменение площади среза во времени при равномерном фрезеровании
Равномерное фрезерование (рис.26) можно получить только для фрезы с винтовым зубом, у которой зуб постепенно входит в заготовку и постепенно выходит, но при условии когда ширина фрезеруемой поверхности B равна осевому шагу фрезы h 0 или кратна ему в целых числах:
Определим условие равномерного фрезерования. Для этого развернем цилиндрическую поверхность фрезы на площадь контакта её с заготовкой (рис. 27).
Рис. 27 Развёртка цилиндрической поверхности косозубой фрезы на площадь её контакта с заготовкой
Шаг винтовой линии фрезы Н равен
Отсюда следует, что
Окончательное условие равномерного фрезерования
11. Встречное и попутное фрезерование (нарисовать схемы действия сил). Достоинст-ва и недостатки встречного и попутного фрезерования.
Фрезерование называется встречным (против подачи), когда направление главного движения противоположно направлению подачи и попутным (по подачи), когда направление главного движения совпадает с направлением движения подачи (рис.28). При встречном фрезеровании нагрузка на зуб фрезы возрастает постепенно, так как толщина срезаемого слоя a изменяется от нуля до максимального значения. При наличии на заготовке какой-либо корки зуб фрезы работает из под корки, как бы выламывая ее. Все это можно отнести к положительным сторонам встречного фрезерования.
Рис. 28 Силы, действующие на зуб цилиндрической фрезы:
а) встречное фрезеровании; б) попутное фрезерование
Рис. 29 Схема врезания зуба фрезы в заготовку при встречном фрезеровании
При встречном фрезеровании имеется вероятность затаскивания стружки зубьями фрезы на уже обработанную поверхность, что также может привести к ухудшению шероховатости обработанной поверхности.
К положительным сторонам попутного фрезерования можно отнести следующее: при отсутствии на заготовке корки обеспечивается меньший износ зубьев и меньшая высота микронеровностей обработанной поверхности; зуб фрезы прижимает заготовку к столу станка; отсутствует вероятность затаскивания стружки зубьями фрезы на уже обработанную поверхность.
В то же время зуб фрезы начинает работать с максимальной нагрузкой, так как толщина срезаемого слоя a изменяется от максимального значения до нуля. При наличии на заготовке корки зуб ударяется об нее, что приведет к резкому снижению работоспособности инструмента. Поэтому, как было отмечено выше, когда заготовка имеет твердую корку, попутное фрезерование не применяется
12. Силы при цилиндрическом фрезеровании. Схема действия сил, эмпирические формулы для расчета сил резания. Формулы для точного расчета сил резания.
Силы, действующие на зуб цилиндрической фрезы, показаны на рис.28.
На зуб цилиндрической фрезы действуют силы:
P Z – касательная составляющая силы резания, которая необходима для расчета механизма главного движения и мощности электродвигателя станка;
P y – радиальная составляющая силы резания;
P х – осевая составляющая силы резания.
P В – вертикальная составляющая силы резания (отрывает или прижимает заготовку к столу станка в зависимости от схемы фрезерования: попутного или встречного);
P Г – горизонтальная составляющая силы резания, по которой производится расчет механизма подачи станка.
Эмпирическая формула для определения силы P z
где коэффициенты и показатели степени по аналогии с другими эмпирическими зависимостями, рассмотрены выше.
Формула для определения силы исходя их формулы для токарной обработки:
Учитывая, что суммарная сила резания равна
Влияние различных факторов на силы резания при фрезеровании
Для прямозубой фрезы увеличение ширины фрезеруемой поверхности В также вызывает рост силы резания, что связано с повышением площади срезаемого слоя на одном зубе фрезы (рис.31,а). В случае косозубой фрезы сила Рz дополнительно увеличивается за счет повышения количества зубьев, одновременно находящихся в процессе резания.
Рост диаметра фрезы уменьшает толщину срезаемого слоя, полный угол контакта δ и количество зубьев фрезы, одновременно находящихся в работе. Это ведет к уменьшению площади срезаемого слоя одним зубом фрезы и суммарной площади срезаемого слоя и как следствие к снижению силы резания (рис.31,б).
Скорость резания, допускаемая режущими свойствами РИ:
где коэффициенты и показатели степени по аналогии с рассмотренными ранее эмпирическими зависимостями.
13. Влияние различных факторов на силы резания при цилиндрическом фрезеровании
Рост допускаемой скорости резания при фрезеровании вызывает увеличение диаметра фрезы (рис.32, а). Увеличение диаметра фрезы при прочих равных условиях снижает толщину срезаемого слоя и количество зубьев, принимающих участие в резании. Все это ведет с снижению силы резания и, следовательно, теплоты, образующейся при резании. Кроме того, рост диаметра фрезы приводит к увеличению ее массы, что способствует увеличению теплоотвода из зоны резания в тело фрезы. Все это вместе взятое позволяет повысить допускаемую скорость резания при увеличении диаметра фрезы.
Попутное и встречное фрезерование
При обработке металлов резанием с помощью цилиндрических, дисковых и торцевых фрез имеется возможность выбора направления подачи инструмента относительно движения заготовки – попутное и встречное. У каждого из способов обработки есть свои достоинства и недостатки, выбор направления движения зависит от характера обработки детали. Попробуем всё же с Вами в этом подробно разобраться.
Однако попутное фрезерование является наиболее распространенным видом в современной металлообработке на станках с ЧПУ. Рассмотрим два этих варианта.
2. Силы резания прижимают заготовку к столу станка, стол к направляющим, а пластины в гнезда фрезы.
3. Нет возможности налипания стружки на пластине, и попадания ее между заготовкой и пластиной в момент последующего врезания. Стружка остается позади фрезы и не портит поверхность, удаляется из зоны резания.
4. Трения меньше, температура меньше, износ пластин по задней поверхности меньше это позволяет использовать большие скорости резания, чем при встречном фрезеровании.
5. Требуется станок достаточной мощности и жесткости, чтобы выдерживать удары в момент врезания. Жесткость приспособления также должна быть достаточной, чтобы выдерживать удары при врезании и не позволять сдвинуть заготовку в ту или иную сторону.
6. Требуется отсутствие зазоров между винтом и гайкой стола, так как в момент врезания при ударе может произойти сдвиг стола на величину зазора, что приведет к поломке фрезы. Этот фактор имеет место в основном на универсальных станках. Современные станки с ЧПУ обладают большой точностью и отсутствием каких-либо люфтов.
7. Стойкость фрезы выше, чем при встречном фрезеровании, при равных прочих условиях, кроме случаев, когда фрезерование осуществляется по твердой корке.
8. Обеспечивается высокая точность обработки.
9. Зуб фрезы нагружается скачкообразно, ввиду удара при врезании, что снижает ресурс инструмента.
10. Первый выбор для чистовой обработки и при малых съемах. Иногда на стали делают встречное фрезерование, но это сугубо индивидуально, или при больших вылетах, чтобы исключить вибрации.
11. Также хорошо подходит при обработке тонких деталей при отрезном и прорезном фрезеровании.
12. При попутном фрезеровании боковых стенок происходит отжим инструмента, что приводит к погрешностям обработки, это видно на рисунке ниже. Но если съемы не большие, то этот отжим не так значителен. Поэтому часто необходимы чистовые проходы. При встречном фрезеровании режущую кромку уводит в глубь материала и отжима не происходит.
13. Попутное фрезерование является предпочтительным методом фрезерования.
1. Толщина стружки на входе в резание равна нулю, на выходе максимальная. Режущая кромка в момент врезания некоторое расстояние скользит по поверхности пока не наберется толщина достаточная для врезания режущей кромки. Так на входе происходит трение кромки и выглаживание поверхности, возможно даже упрочнение поверхностного слоя, а также повышенные температуры и отжим фрезы под действием сил трения.
2. Большой износ задней поверхности зуба в результате трения в момент врезания.
3. Более низкие режимы резания ввиду быстрого износа по задней поверхности.
4. Требуется обильное охлаждение.
5. Радиальные силы резания стремятся оторвать заготовку от стола или приспособления. Требуется более надежное крепление заготовки.
6. Стружка большой толщины, образованной на выходе режущей кромки пластины, может налипать и оказаться между пластиной и заготовкой при следующем врезании, что может привести к поломке пластины. Также такое налипание плохо сказывается на стойкости пластины.
7. Резкая разгрузка фрезы на выходе негативно сказывается на устойчивости фрезы.
8. Зуб фрезы нагружается более плавно, что способствует повышению ресурса инструмента.
9. Первый выбор при черновой обработке, обработке по корке, упрочненном поверхностном слое.
10. Не происходит отжима инструмента, так как кромку затягивает при врезании в глубь материала.
11. При встречном фрезеровании требуется больше энергии, чем при попутном.
Несмотря на то, что встречное фрезерование характеризуется больше негативно этот метод в ряде случаев является более выигрышным нежели попутное фрезерование.
Когда используем встречное фрезерование
1. Когда припуск распределен не равномерно.
2. При фрезеровании корки отливки или поковки, при использовании здесь попутного резания будет наблюдаться быстрое притупление кромки и даже поломка пластины.
3. Когда используем керамические пластины при обработке жаропрочных сплавов, так как они плохо переносят удары, которые возникают на входе при попутном фрезеровании.
4. Если производите отрезку куска металла фрезерованием, то часто встречное фрезерование позволяет откинуть кусок в сторону, когда как попутное наоборот может этот кусок переместить под фрезу, что уже не безопасно либо он отлетит в человека, либо сломает фрезу. Поэтому необходимо, чтобы кусок был закреплен отдельным прижимом в любом из случаев.
5. При фрезеровании методом копирования сферическими фрезами встречное фрезерование является предпочтительным, хотя здесь наблюдается чередование и встречного и попутного фрезерования. Здесь максимальная толщина стружки снимается на благоприятных скоростях резания.
6. Если большой вылет инструмента вызывает вибрацию необходимо использовать встречное фрезерование на чистовых проходах.
7. Если мощность шпинделя станка не достаточна и при фрезеровании уступа появляется вибрация попробуйте использовать встречное фрезерование.
8. Если наблюдается пакетирование стружки при фрезеровании глубокого паза попробуйте встречное фрезерование.
На рисунке выше видно, как действуют силы резания: при попутном фрезеровании (б) силы стремятся прижать заготовку к столу, а при встречном (а) наоборот стремятся оторвать заготовку от стола.
При фрезеровании паза на всю ширину наблюдается чередование двух вариантов на одной стороне попутное, на второй встречное фрезерование. Это негативно сказывается на стойкости инструмента и не делает возможным работать с большой глубиной резания и подачей. Часто для такой обработки используют трохоидальный метод обработки.
Люфт и попутное фрезерование
При определенных условиях попутное фрезерование создает отрицательную геометрию резания.
До этого момента, вы, вероятно, думали, что стоит использовать попутное фрезерование везде где можно. Ведь такой подход создает лучшее качество обрабатываемой поверхности, требует меньше энергии и менее подвержен отклонению режущего инструмента. А операторы, работающие в ручном режиме, говорят что не стоит использовать попутное, потому что это опасно при работе на машине с люфтом. На самом деле, правда где-то посередине. Можно отметить следующие эмпирические правила:
При фрезеровании на глубину в половину диаметра фрезы или меньше лучше использовать попутное (при условии, что у вашей машины низкий люфт, и это безопасно);
При фрезеровании на глубину ¾ диаметра фрезы способ фрезерования не имеет значения;
Отклонение инструмента и точность реза при фрезеровании на подаче и против подачи
Каким образом направление фрезерования подачи влияет на отклонение и точность инструмента?
На следующем рисунке показаны небольшие стрелки (называемые векторами), показывают направление отклонение инструмента, когда резец перемещается по траектории инструмента:
Стрелки показывают где режущее усилие пытается отклонить фрезу. Встречный рез вверху, попутное фрезерование внизу
Обратите внимание, что вектор отклоняющей силы более параллелен разрезу при встречном фрезеровании (хотя стрелки длиннее и показывают более высокие силы резания). При фрезеровании на попутной подаче вектор силы практически перпендикулярен разрезу. Если ваша фреза отклоняется на 3 сотки, не является ли более предпочтительным направить его вдоль подачи? Также альтернативой может быть удаление или углубление фрезы в линию реза(изменения съема за проход). Обратно, длины векторов при встречном больше, чем при попутном. Это говорит о том, что силы резания более мощные, и инструмент с большей вероятностью отклонится.
Попробуйте использовать попутное фрезерование для черновой обработки, потому что это даст вам возможность работать быстрее, а эффект от отклонения инструмента существенно не влияет на точность и не имеет значения – последующий финишный проход обеспечит точность. Вы можете грубо работать значительно быстрее, потому что усилие резания меньше и толсто-тонкий профиль стружки переносит тепло на стружку. Стружка уносит тепло, что особенно важно для обработки твердых материалов таких как нержавеющая сталь. Тем самым обеспечивается лучшее качество обрабатываемой поверхности, если вы можете позволить повторный финишный проход.
Встречное фрезерование для финишной обработки
Это противоречит здравому смыслу, по мнению большинства операторов станков. При прочих равных условиях они правы, но есть нюансы.
Проблема в том, что отклонение влияет и на чистоту поверхности. Если вектор сил резания почти параллелен направлению подачи, вы можете считать, что часть вектора, которая толкает его «от параллели» очень мала. Потому инструмент будет иметь небольшую тенденцию отклоняться и наносить «волны».
Обратите внимание, что это может быть особенно важно при работе с тонкими стенками, где они очень тонки!
Поэтому важно перейти на встречное фрезерование для финишной обработки, если вам вообще неприемлемо отклонение. По крайней мере, следует избегать слишком большой глубины реза при попутном фрезеровании, чтобы избежать отклонений. Чтобы свести отклонения к минимуму, следует использовать не более 30% диаметра режущего инструмента для встречного фрезерования и 5% для попутного.
Правильное управление отклонением может помочь вам избежать необходимости дополнительного фрезерования для очистки поверхности.
Встречное фрезерование для микрообработки
Понимая механизм каждого метода, Вы сделаете правильный выбор способа фрезерования для любой Вашей ситуации и тем самым продлите срок службы инструмента, повысите качество, точность, а также и производительность обработки.