Проектирование станка начинается с этапа разработки инструментальных схем для обработки заданной детали, их анализ и выбор оптимального варианта с точки зрения выполнения требований технического задания с целью получить удобную в обслуживании конструкцию и необходимую жесткость станка. Чертеж инструментальной схемы содержит информацию, необходимую для последующего определения типа, диаметра и числа зубьев фрезы, материала ее режущей части, количества фрез, их расположения относительно обрабатываемых поверхностей взаимного расположения между собой.
Количество фрез определяется конфигурацией обрабатываемых поверхностей детали и снимаемым припуском. При выборе типа режущего инструмента предпочтение следует отдавать торцовым фрезам, так как вследствие их большой жесткости резание протекает более спокойно, с меньшими вибрациями и, следовательно, дает более высокий класс шероховатости обработанной поверхности.
При торцовом фрезеровании различают схемы симметричного резания, когда ось фрезы перемещается в плоскости симметрии обрабатываемой поверхности, и несимметричного, когда ось фрезы смещена относительно этой поверхности (рис. 1).
Рис. 1. Схема резания при работе торцовой фрезой: α - симметричная; б - несимметричная встречная; в - несимметричная попутная
Одним из наиболее важных критериев выбора схемы является равномерность процесса фрезерования, которая определяется величиной колебаний силы резания. Даже при постоянном припуске и неизменной ширине обработки, величина силы резания при фрезеровании изменяет значение в зависимости от угла поворота фрезы. Максимальная величина силы резания тем меньше отличается от ее среднего значения, чем большее количество зубьев находится в контакте с обрабатываемой деталью. Поэтому для обеспечения более спокойного и производительного процесса фрезерования необходимо, чтобы зубья фрезы находились в максимально большем количестве в контакте с деталью и обеспечивались благоприятные условия для их входа и выхода.
При симметричном фрезеровании диаметр фрезы получается минимальным, что обеспечивает наименьшую длину рабочего хода и повышает производительность обработки. Это также благоприятно сказывается на уменьшении габаритов и металлоемкости привода главного движения, так как фрезерование производится при меньших крутящих моментах на шпинделе и валах привода. Диаметр, который имеют торцовые фрезы в этом случае, выбирается близким к максимальной ширине обрабатываемой поверхности, т. е.
Dф = Bф + (15÷20) мм
где Dф - диаметр фрезы, мм; Вф - ширина фрезерования, мм.
Увеличение соотношения Dф/Вф способствует возникновению неравномерности процесса резания, снижает стойкость фрезы и уменьшает долговечность станка. Врезание очередного зуба в металл происходит при большом сечении стружки и сопровождается ударами. Удовлетворительный процесс резания в таких случаях возможен только при уменьшении подачи на зуб, что снижает производительность фрезерных станков. Более спокойный характер резания обеспечивает в этом случае схема несимметричного встречного фрезерования (рис. 1, б). Применив такую схему, можно значительно увеличить подачу на зуб. При этом величина смещения С выбирается равной 0,1 Dф. Тогда диаметр фрезы необходимо назначать, пользуясь зависимостью:
Dф = (1,4÷1,7) Вф мм.
Несимметричное встречное фрезерование следует применять при обработке тонкостенных деталей. С целью снижения вибраций следует таким образом расположить фрезу относительно обрабатываемой поверхности, чтобы вектор суммарной силы резания был ориентирован вдоль стенки детали.
Несимметричное попутное фрезерование (рис. 1, в) рекомендуется применять при обработке жаропрочных и титановых сплавов. Стружка при резании металла при такой схеме получается малой толщины, что благоприятным образом отражается на повышении стойкости фрезы, так как не происходит приваривание горячей стружки к режущим кромкам и не выкрашиваются частицы материала зуба фрезы при отрывании этой стружки. Для определения диаметра фрезы можно пользоваться формулой:
Dф = (1,5÷2,5) Вф мм.
Минимальное смещение С выбирается равным (0,03÷0,05) Dф.
Необходимыми условиями применения схемы попутного фрезерования являются высокая жесткость системы СПИД и отсутствие зазоров или их автоматический выбор в механизме подачи станка. При работе цилиндрическими фрезами также можно использовать встречное и попутное фрезерование (рис. 2).
Рис. 2. Схема резания при работе цилиндрической фрезой: α - встречная; б - попутная
Встречное фрезерование характеризуется тем, что нагрузка на зуб увеличивается постепенно, так как толщина среза изменяется от нуля при входе зуба, до максимума при выходе его из обрабатываемого материала. С другой стороны, происходит процесс скольжения зуба на начальном участке резания, в результате наблюдается интенсивный износ фрез при обработке металла и наклеп.
При попутном фрезеровании зуб фрезы начинает работать сразу с наибольшей толщиной среза. Если заготовка имеет твердую и загрязненную корку, стойкость фрезы снижается. Фрезерование по этой схеме происходит более спокойно, способствует повышению стойкости фрез в 2-3 раза или же, при сохранении прежней стойкости, дает возможность увеличивать скорость резания на 20-30%, а минутную подачу - в 1,5 раза. Производительность обработки, в особенности при резании жаропрочных и нержавеющих материалов, может быть повышена в 2,5-3 раза.
На черновых режимах диаметр цилиндрических фрез назначается в зависимости от размера сечения оправки. Из условия обеспечения необходимой прочности диаметр оправки предварительно определяется по формуле:
d = 9 √Bфt мм,
где t - глубина фрезерования. Окончательно ее размер должен быть уточнен в каждом конкретном случае после прочерчивания инструментальной схемы.
Если на одной оправке монтируется несколько цилиндрических или дисковых фрез, то, с целью обеспечения более равномерного процесса резания, необходимо повернуть их одну относительно другой таким образом, чтобы зубья фрез одновременно не входили в контакт с металлом (рис. 3). Величина угла относительного разворота определяется из условия обеспечения наименьшего колебания крутящего момента при резании.
Рис. 3. Схема установки нескольких фрез на оправке
Концевая фреза по металлу и ее диаметр при черновой обработке выбирается из условия прочности. На рис. 4 приведены значения допустимых окружных сил для концевых фрез по ГОСТу 8529-57.
Рис. 4. Допустимые окружные силы для концевых фрез
Количество зубьев определяется в зависимости от диаметра фрезы, технологического назначения и конструкции (цельная или сборная). В зависимости от назначения фрезы разделяются на крупнозубые, т. е. фрезы с большим шагом и небольшим количеством зубьев, и мелкозубые - с мелким шагом и большим числом зубьев. Фрезы с крупными зубьями преимущественно применяют при черновом фрезеровании, а мелкозубые при чистовом и получистовом.
У торцовых мелкозубых фрез количество зубьев принято определять по формуле: z = 2√Dф, а у крупнозубых z = 1,2√Dф.
Для цилиндирических фрез z = m√Dф, где m - коэффициент, зависящий от условий работы и конструкции фрезы. Значения этого коэффициента приведены ниже.
Фрезы цилиндрические цельные:
- крупнозубые фрезы с ω до 30° коэфф. m = 1,05;
- мелкозубые фрезы с ω = 15÷20° коэфф. m = 2,0.
Фрезы цилиндрические сборные:
- крупнозубые фрезы с ω = 45° коэфф. m = 0,8;
- мелкозубые фрезы с ω = 20° коэфф. m = 0,9.
Концевые фрезы изготовляются двух типов: с нормальным зубом, когда количество зубьев z = √Dф, а угол ω = 30°, и с крупным зубом, когда z ≈ 0,6√Dф, а угол ω = 45°.
Материал режущей части инструмента следует выбирать пользуясь рис. 5.
Фрезы, оснащенные лезвийным инструментом из сверхтвердых материалов на основе нитрида бора - композита 01 (эльбора-Р), композита 10 (гексанита-Р) и композита 05 - находят все большее применение для обработки деталей из чугунов и закаленных сталей.
Использование такого инструмента позволяет получать высокий класс шероховатости и точности обработанной поверхности, а технологический процесс фрезерования строить по схеме: прецизионные заготовительные операции, термообработка, чистовая финишная обработка. Производительность формообразования при этом возрастает до 5 раз.
Рис. 5. Рекомендации по применению марок твердого сплава при фрезеровании
