Геометрия Фрез

Геометрия фрезы определяется углами расположения поверхностей и режущих кромок зубьев.

В общем случае для этого используются восемь углов:

• Три главных угла: задний α, угол заострения β и передний γ;
• Вспомогательный задний угол α1;
• Три угла в плане: главный φ, угол при вершине ε  и вспомогательный φ1;
• Угол наклона главной режущей кромки  λ или  ω.

Чтобы определить эти углы в каждом конкретном случае, необходимо знать исходные поверхности и плоскости при фрезеровании (рис. 1).

У обрабатываемой заготовки различают три исходные поверхности: обрабатываемую 1, обработанную 5 и поверхность резания 7.

Обрабатываемой поверхностью называется поверхность заготовки, подлежащая обработке.

Обработанная поверхность - это поверхность детали, полученная в результате обработки.

Поверхностью резания считается поверхность, образуемая главной режущей кромкой зуба фрезы в процессе резания.

К исходным плоскостям относятся три воображаемые плоскости: основная 3, резания 6 и секущая 2.

Основная плоскость проходит через ось 4 фрезы и данную точку режущей кромки.

Плоскость резания располагается касательно к поверхности резания и проходит через главную режущую кромку зуба фрезы.

Рис. 1. Исходные поверхности и плоскости при фрезеровании

Секущей является плоскость, которой мысленно рассекается режущая кромка. В общем случае эта плоскость располагается перпендикулярно к проекции режущей кромки на основную плоскость. В зависимости от рассекаемой режущей кромки различают главную и вспомогательную секущие плоскости.

Пользуясь понятием об исходных плоскостях, можно дать определения углам зуба фрезы (рис. 2).

Задним углом называется угол между главной задней поверхностью зуба и плоскостью резания.

Угол заострения в образуется между передней и главной задней поверхностями зуба.

Рис. 2. Геометрия фрез: а - трехсторонней дисковой; б - цилиндрической; в- торцовой

Передним углом ү в геометрии фрезы, является угол между передней поверхностью зуба и основной плоскостью. Он считается положительным, если сумма углов α+β<90°, и отрицательным, когда эта сумма больше прямого угла.

Главные углы фрезы задаются в главной секущей плоскости, которая для фрез с винтовой или наклонной режущей кромкой (цилиндрических, концевых, торцовых и других) может располагаться перпендикулярно к оси фрезы 4 или к главной режущей кромке. Для таких фрез в плоскости, перпендикулярной к оси фрезы, измеряется задний угол α и поперечный передний угол γ₁, а в плоскости, перпендикулярной режущей кромке, - нормальный задний угол αн и передний угол ү (см. рис. 2, б и в).

Для показа этих углов только в одной из секущих плоскостей можно пользоваться приближенными формулами пересчета их значений:

• для цилиндрических, концевых и дисковых фрез с винтовыми или наклонными к оси режущими кромками tgα_H=tgα/cosω; tgү₁=tgү/cosω
• для торцовых фрез: tgα_H=tgα*sinφ; tgү₁=tgү*sinφ

где ω - угол наклона главной режущей кромки к оси фрезы; φ - главный угол в плане.

Ввиду того, что тригонометрические функции косинуса для углов до 20° и синуса для углов свыше 70° близки к единице, пересчет переднего и заднего углов по вышеприведенным формулам в этих случаях практически можно не делать.

Вспомогательным задним углом α₁, называется угол между вспомогательной задней поверхностью зуба и перпендикуляром, восстановленным к основной плоскости (см. рис. 1).

Главным углом в плане φ (см. рис. 2, в) является угол между проекцией главной режущей кромки зуба на основную плоскость и плоскостью рабочего торца фрезы.

Вспомогательный угол в плане φ₁ - это угол между проекцией вспомогательной режущей кромки зуба на основную плоскость и плоскостью рабочего торца фрезы.

Углом при вершине ε называется угол между проекциями главной и вспомогательной режущих кромок на основную плоскость.

Сумма углов φ, ε и φ₁ равна 180°.

Углом наклона главной режущей кромки λ, при рассмотрении геометрии фрезы, принято называть угол между главной режущей кромкой торцовой фрезы и основной плоскостью, проходящей через вершину зуба. Для прочих фрез с винтовыми или наклонными режущими кромками его обозначают буквой ω.

Угол λ может иметь положительное и отрицательное значения. В первом случае режущая кромка имеет наклон в сторону вращения фрезы, во втором - в противоположную сторону.

Для уменьшения остроты вершин зубьев на них выполняют переходные режущие кромки с углом в плане φ₀ = ½ φ (см. рис. 2, в).

Передний угол ү фрезы оказывает наибольшее влияние на процесс образования стружки. С его увеличением облегчается ее сход, уменьшается сопротивление резанию. Однако если этот угол большой, режущая кромка ослабляется, к ней приближается центр давления стружки. Поэтому величину переднего угла следует выбирать в зависимости от свойств материалов обрабатываемой детали (табл. на рис. 3) и фрезы. Для более мягких и пластичных обрабатываемых материалов его надо принимать большим, для более твердых и хрупких - меньшим. У фрез из быстрорежущих сталей, обладающих большей вязкостью, передний угол при равных условиях можно принимать большим, чем у фрез, оснащенных твердым сплавом.

Рис. 3. Рекомендуемые значения передних углов фрез, град

Задние углы фрезы непосредственного участия в резании не принимают. Они служат только для уменьшения трения задних поверхностей зубьев фрезы об обрабатываемый материал.

Задний угол α выполняют в пределах 12-16°. Причем большие значения этого угла рекомендуются для фрез с мелкими зубьями, меньшие - для крупнозубых фрез и фрез со вставными ножами. Для отрезных и прорезных фрез угол а увеличивается до 20-25°.

Вспомогательные задние углы α₁, принимают разными (примерно ½ α, т. е. 6-8°).

Главный угол в плане φ может иметь различные значения только у торцовых фрез, так как для всех прочих он определяется типом фрезы. Например, для концевых и дисковых фрез он равен 90°.

Чтобы объяснить влияние главного угла в плане на работоспособность фрезы и процесс резания, рассмотрим рис. 4, на котором показано последовательное врезание в металл двух соседних зубьев I и II торцовой фрезы. С уменьшением угла φ до значения φ' вершина зуба становится более прочной, массивной и удлиняется активная часть главной режущей кромки от l до l'. Благодаря этому при том же сечении срезаемой стружки режущая кромка испытывает меньшее температурное напряжение, что повышает стойкость фрезы. Однако это же явление оказывает и отрицательное действие, так как более длинная активная часть режущей кромки способствует увеличению силы сопротивления резанию. Следовательно, при достаточно жесткой технологической системе СПИД (станок, приспособление, инструмент, деталь) целесообразность применения фрез с малыми углами φ становится очевидной и наоборот, при недостаточно жестких условиях работы рекомендуется пользоваться фрезами с большими углами φ. Практически угол в плане φ у торцовых фрез выполняется в пределах 45-75°.

Рис. 4. Схема работы фрезы с различными углами в плане

Вспомогательный угол в плане φ₁ определяет положение вспомогательной режущей кромки, активная длина которой практически не превышает подачи на зуб ѕ_Z. (см. рис. 4). Следовательно, эта режущая кромка незначительно участвует в резании, но оказывает существенное влияние на прочность и стойкость вершины зуба фрезы и шероховатость обрабатываемой поверхности. При уменьшении угла φ₁ уменьшается высота гребешка h, остающегося на обработанной поверхности после прохода зуба фрезы. Благодаря этому шероховатость поверхности становится меньшей. Увеличение при этом угла при вершине ε способствует повышению прочности и стойкости наиболее ослабленного места зуба - вершины. В связи с этим угол φ₁ рекомендуется выполнять небольшим: для отрезных и прорезных фрез 0°30'-1°; для прочих фрез - 1-2°.

Рассматривая геометрию фрезы, заметим, что угол наклона главной режущей кромки λ торцовых фрез существенно влияет на прочность вершины зуба и характер его врезания в обрабатываемый металл. Положительное значение этого угла (рис. 5, а) упрочняет вершину зуба, отдаляет от нее точку контактного удара в момент врезания режущей кромки в металл, что благоприятно сказывается на стойкости фрезы. При нулевом или отрицательном значении угла (рис. 5, б) вершина зуба становится более ослабленной и, первой врезаясь в металл, испытывает контактный удар. Из приведенных рассуждений можно сделать вывод о целесообразности применения торцовых фрез с положительным углом наклона главных режущих кромок (в пределах 10-15°).

Для фрез с винтовыми и наклонными к оси зубьями угол наклона главной режущей кромки ω способствует более спокойному фрезерованию, так как режущая кромка в этом случае врезается в металл не одновременно всей длиной, а постепенно. Кроме того, наклон зубьев увеличивает поперечный передний угол ү₁ (см. формулу выше), действующий в направлении резания, в конструкциях стандартных цилиндрических и концевых фрез угол ω предусматривается 30-45°; для двух- и трехсторонних дисковых фрез - 10-15°.

Рис. 5. Контакт зуба фрезы с заготовкой при различных углах наклона главной режущей кромки

Не менее важным фактором влияющим на производительность резания, так же как и материалы фрез по металлу, являются геометрические параметры режущей части фрезы, которые представляют совокупность элементов (углов заточки, размеров и форм) зуба фрезы, что часто называют сокращенно геометрией фрезы.

Каждый из элементов геометрии зуба фрезы имеет свое значение в процессе резания. Передний угол γ при правильном выборе облегчает сход стружки и уменьшает силу резания, вследствие чего износ зуба фрезы по передней поверхности получается наименьшим; следовательно, срок работы фрезы без переточки будет наибольшим. Обычно передний угол ү назначают в пределах 10-20° в зависимости от типа фрезы, материала режущей части и твердости обрабатываемого материала.

Задний угол α при правильном выборе уменьшает трение по задней поверхности. С увеличением заднего угла уменьшается трение и соответственно уменьшается износ зуба по задней поверхности, что увеличивает стойкость фрезы и улучшает класс чистоты обработанной поверхности. Однако с увеличением заднего угла α уменьшается угол заострения β, что приводит к ослаблению зуба и может вызвать поломку (выкрашивание) режущей кромки. Задний угол α выбирается в пределах 12-30° в зависимости от глубины резания, типа фрезы, количества зубьев (мелкозубые и крупнозубые фрезы). Наблюдения за работой фрез, оснащенных пластинками из твердого сплава, показали, что оптимальная величина заднего угла зависит от максимальной величины толщины снимаемого слоя, т. е. от подачи на зуб.

Главный угол в плане φ и угол в плане переходной кромки φ0. В торцовых и дисковых фрезах главная режущая кромка зуба фрезы сошлифована на угол φ, называемый главным углом в плане или главным углом в плане угловой кромки. Главный угол в плане φ является важным фактором повышения производительности торцовых и дисковых фрез. Основной его функцией является изменение толщины и ширины срезаемого слоя при постоянных глубине резания и подаче.

С уменьшением главного угла в плане φ при постоянной подаче на зуб толщина стружки уменьшается, стойкость и производительНость фрезы увеличиваются, но и увеличивается потребная мощность. Поэтому меньшие главные углы в плане φ выбирают при наличии жесткого и мощного станка. Главный угол в плане φ выбирают в зависимости от мощности станка, жесткости закрепления заготовки в приспособлении или на столе станка, материала заготовки, глубины резания и тип фрезы в пределах 30-90° Угол в плане переходной кромки φ0 образован для увеличения прочности зуба вместе сопряжения главной и вспомогательной режущих кромок, что увеличивает срок работы фрезы без переточки. Угол в плане переходной кромки φ0 назначают равным половине угла φ.

Вспомогательный угол в плане φ1 служит для облегчения перемещения вспомогательной кромки в процессе резания по обработанной поверхности. Этот угол оказывает большое влияние на класс чистоты обработанной поверхности с уменьшением угла φ1 класс чистоты поверхности улучшается. Вспомогательный угол φ1 выбирают в пределах 15’-3°

Угол наклона λ режущей кромки предназначен для направления и облегчения схода стружки. Кроме того, угол λ показывает влияние на прочность зуба и стойкость фрезы.

Угол наклона ω винтовой режущей кромки служит для увеличения плавности работы фрезы и для направления сходящей стружки; обычно угол ω наклона режущей кромки назначают в пределах 10-60° в зависимости от типа фрезы.

Рассмотрим рекомендуемые геометрические параметры режущей части фрез из быстрорежущей стали Р18 и с пластинками из твердого сплава.

На рис. 6 приведены геометрические параметры фрез из быстрорежущей стали, а в табл. на рис. 7 и 8 - рекомендуемые значения передних и задних углов, главного, вспомогательного и переходного углов в плане и длины переходной кромки, а также угол наклона ω винтовой режущей кромки.

Рис. 7. Геометрические параметры режущей части фрез из быстрорежущей стали Р18 (см. рис. 6).   Примечания: 1. У фрез цилиндрических с углом наклона зубьев свыше 30° передний угол при обработке стали σ<60 кг/мм2 γ=15°. 2. У фасонных фрез с передним углом ү>0° необходима коррекция контура при обработке точных профилей. 3. При обработке жаропрочных нержавеющих сталей торцовыми фрезами необходимо брать большие значения передних углов, концевыми и цилиндрическими - меньшие. 4. На задней поверхности фрез при заточке оставлять круглошлифованную ленточку шириной не более 0,1 мм. Зубья у фрез шлицевых (прорезных) и отрезных (круглых пил) затачиваются без ленточки.

Рис. 8. Рекомендуемые значения угла наклона ω винтовых канавок для фрез из быстрорежущей стали

На рис. 9-12 приведены геометрические параметры фрез с пластинками из твердого сплава, а в табл. на рис. 13-16 - рекомендуемые значения передних и задних углов, главного, вспомогательного и переходного углов в плане, углов наклона режущей кромки и винтовых канавок, радиуса при вершине для этих фрез и т. п.

Рис. 10. Геометрические параметры режущей части торцовой фрезы с пластинками из твердого сплава

Рис. 11. Геометрические параметры режущей части концевых фрез с винтовыми пластинками из твердого сплава

Рис. 12. Геометрические параметры режущей части дисковой фрезы с пластинками из твердого сплава

Фрезы, применяемые для обработки большинства заготовок, обычно поставляются с инструментальных заводов с углами заготовки, соответствующими ГОСТам, и фрезеровщику в отличие от токаря и строгальщика почти невозможно изменять эти углы путем переточки. Приведенные на рис. 7, 8, 13, 14, 15, 16 геометрические параметры режущей части фрез помогут фрезеровщику правильно выбрать соответствующую данной обработке фрезу из имеющихся в инструментальной кладовой стандартных фрез.

Рис. 13. Геометрические параметры режущей части цилиндрических фрез с винтовыми пластинками из твердого сплава (см. рис. 9). Примечание: На задней поверхности зуба вдоль режущей кромки допускается ленточка шириной не более 0,1 мм.

Рис. 14. Рекомендуемые значения геометрических параметров режущей части торцовых фрез с пластинами из твердого сплава (см. рис. 10). Примечание: * Малые углы в плане φ=15÷30° следует применять при обработке на жестких станках для черновых проходов с малыми глубинами резания или чистовых проходов с невысокими требованиями шероховатости поверхности и точности обработки. ** Радиус при вершине r=1,0

Рис. 15. Рекомендуемые значения геометрических параметров режущей части концевых фрез с винтовыми пластинами из твердого сплава (см. рис. 11)

Рис. 16. Геометрические параметры режущей части дисковых фрез с пластинками из твердого сплава (см. рис. 12)