Износ и стойкость фрез

В процессе обработки заготовки на фрезерном станке, на поверхностях зубьев фрезы возникает трение. На передней поверхности зуба оно является следствием скользящей по ней стружки, на задней - результатом подвижного упругого контакта с обрабатываемым материалом. Чем большее значение приобретают силы резания, отнесенные к единице работающих поверхностей зуба фрезы, и чем больше затраченная при этом мощность, т. е. в данном случае путь в единицу времени-скорость, тем более значительны последствия, проявляющиеся в виде износа по передней и задней поверхности.

Износ фрезы измеряется шириной фаски износа h_з (рис. 1, а). Существует некоторое оптимальное (по условиям экономической целесообразности) значение hзн по достижении которого дальнейшая работа должна быть прекращена и фреза направлена в переточку. Это значение соответствует нормативному износу (ордината точки В на рис. 1, б). В таблице, на рис. 2, приведены значения нормативного (оптимального) износа для разных фрез в зависимости от режущих материалов, которыми они оснащены.

Рис. 1. Износ зубьев фрез: а - характер износа по задней поверхности; б - кривая износа

Наряду с критерием износа по задней поверхности (фаска һ_з.н.), существует оценка износа по нарушению размера, определяющего положение обработанной поверхности от технологических баз, т. е. по точности выполнения изделия. Такой износ носит название размерного износа. При точных работах в первую очередь необходимо учитывать изменение формы и размера фрезы, а потому нельзя допускать использование инструмента до появления максимально допустимого износа h_з.н.. Кроме износа фрезы на точность размеров изделия оказывает влияние упругая деформация в системе СПИД, которая значительно возрастает с увеличением износа по задней грани зуба. Значение допустимого размерного износа может быть установлено только практическим путем, в конкретных условиях, а потому никаких нормативов не имеет.

Рис. 2. Допустимый износ по задней грани зуба фрезы

Понятие стойкость фрезы при фрезеровании связано с износом. Под периодом стойкости фрезы принято понимать отрезок времени (мин), в течение которого фреза может работать без переточки. На рис 1, б показано, что стойкость фрезы определяется абсциссой точки в кривой износа, соответствующей допустимому износу һ_з.н. Она равна Т. Стойкость связана со скоростью резания. Чем выше скорость резания v, тем ниже стойкость Т фрезы. Эта связь определяется формулой:

v = C/T^m

Здесь C - коэффициент, учитывающий свойства обрабатываемого материала нусловия обработки; m = 0,15÷0,42 - показатель относительной стойкости, зависящий главным образом от материала инструмента.

Вследствие малого значения m изменение скорости резания оказывает заметное влияние на стойкость фрезы. Так, если скорость резания увеличить всего лишь на 10 %, то стойкость фрезы уменьшится на 25-60 %.

В таблице стойкости фрез, на рис. 3, приведены рекомендуемые периоды стойкости, согласованные со значениями оптимального износа (см. рис. 2) для разных типов фрез.

Вышеприведенная зависимость является осионной при определении допустимой скорости резания при фрезеровании. Однако на скорость резания помимо стойкости оказывают значительное влияние и другие факторы, которые можно расположить в таком порядке:

• подача;
• глубина резания;
• ширина фрезерования;
• условия охлаждения;
• шаг зубьев фрезы (число z при равных диаметрах фрезы);
• диаметр фрезы и др.

Рис. 3. Средние значения периода стойкости фрез Т (для одноинструментальной обработки), мин

Для правильного определения скорости резания в зависимости от диаметра, материала и геометрических параметров фрезы в соответствии с выбранной подачей на один зуб следует принять наиболее рациональную стойкость фрезы, соответствующую нормальному затуплению (износу), и применить соответствующее охлаждение фрезы.

Износ фрез при обработке металла происходит вследствие затупления, вызванного трением задней поверхности зуба фрезы об обработанную поверхность и трением сходящей стружки о переднюю поверхность зуба. Износ фрез в зависимости от условий резания происходит или по задней поверхности, когда толщина срезаемого слоя αнаиб<0,08 мм, или одновременно по задней и передней поверхностям при резании с толщинами срезаемого слоя αнаиб>0,08 мм.

Цилиндрические, дисковые, концевые, фасонные и прорезные фрезы, работающие в зоне тонких стружек, изнашиваются в основном по задней поверхности.

На рис. 4 показан зуб торцовой фрезы, оснащенной твердым сплавом, в различные периоды износа. В процессе фрезерования на задней поверхности зуба образуется площадка износа, ширина которой b все время увеличивается. Одновременно на передней поверхности в результате трения сходящей стружки образуется едва заметная лунка, причем она находится на некотором расстоянии l от режущей кромки (рис. 4, а). По мере работы износ задней поверхности все время опережает износ передней поверхности, пока площадка износа на задней поверхности не соединится с лункой на передней поверхности. С этого момента износ резко возрастает, так как разрушенная кромка не может резать нормально. Наступает так называемый катастрофический износ инструмента (рис. 4, б), после которого для восстановления правильной геометрии режущей кромки приходится снимать большой слой металла с передней и задней поверхностей зубьев.

Рис. 4. Износ зуба торцовой фрезы: а - нормальный; б - катастрофический

Признаком начала затупления фрезы являются наступающая вибрация, появление неровной (рваной) поверхности обработки и чрезмерный нагрев фрезы вследствие увеличения трения. Критерием затупления при фрезеровании, когда не предъявляются высокие требования к чистоте и точности обработки, является износ задней поверхности. На рис. 5 приведены допускаемые величины износа задней поверхности для фрез из быстрорежущей стали и фрез, оснащенных пластинками из твердого сплава. По достижении допускаемой величины износа фреза должна быть переточена.

Значения допускаемого износа, приведенные на рис. 5, не предусматривают повышенных требований по чистоте обработанной поверхности (выше 6-го класса) или точности размера (выше 4-го класса) при обработке размерными фрезами (фрезерование шпоночных канавок, проушин в вилках, размерных пазов и т. п.) и поэтому в этих случаях необходимо либо допускать меньший износ, так называемый размерный износ, или принимать меры, компенсирующие потерю размера фрезы.

Рис. 5. Примерные допустимые значения износа по задней поверхности при резании фрезами. *При работе с подачами Sz>0,12 мм на станках наибольшей мощности (5-6 кВт) рекомендуемый износ по задней поверхности равен 1 мм.

Исходя из допускаемого износа режущей части инструмента, устанавливают период стойкости фрезы, т. е. длительность непрерывной работы ее от заточки до заточки при нормальном затуплении. Период стойкости Т измеряют в минутах непрерывной работы фрезы. Известно, что чем выше скорость резания, тем скорее фреза тупится и, следовательно, период стойкости ее становится меньше. Наоборот, чем скорость резания меньше, тем дольше фреза будет работать без переточки и, следовательно, иметь больший период стойкости. При этом период стойкости фрезы значительно изменяется даже при незначительном изменении скорости резания. Так, при обработке конструкционной стали σв=75 кг/мм2 торцовой фрезой, оснащенной пластинками из твердого сплава, увеличение скорости резания на 15% уменьшает период стойкости вдвое, а уменьшение скорости резания на 20% увеличивает период стойкости втрое.

При работе на больших скоростях производительность труда получается более высокой, а техническая норма технологического времени меньшей. Но при этом вследствие уменьшения периода стойкости фрезу приходится значительно чаще затачивать, затрачивая время на ее снятие и установку, что, в свою очередь, вызывает увеличение вспомогательного времени. Кроме того, с каждой переточкой срок службы фрезы сокращается, и это вместе со стоимостью заточки увеличивает стоимость обработки. Может случиться, что выигрыш на увеличении производительности в результате высокой скорости резания окажется меньшим, чем повышенные расходы на более частую переточку фрезы.

С другой стороны, при работе на малых скоростях резания производительность труда получается низкой, что вызывает увеличение доли технологического (машинного) времени в норме штучного времени. При этом экономия на увеличении периода стойкости фрезы и более редкой ее заточке может оказаться меньшей, чем потери на производительности от заниженной скорости резания.

Таким образом, рациональная скорость резания находится где-то между завышенной и заниженной, соответствуя тому периоду стойкости фрезы, при котором стоимость переточки соответствует выигрышу в производительности. Стойкость, соответствующая наиболее рациональной скорости резания, называется экономической стойкостью.

На рис. 6 приведены средние периоды стойкости фрез, соответствующие ее экономической стойкости, в зависимости от типа фрезы, обрабатываемого материала, марки режущей части инструмента и характера обработки.

Периоды стойкости фрез, указанных на рис. 6, рассчитаны на одноинструментную обработку, т. е. на работу одной фрезы. В случае работы набором фрез или одновременной работы нескольких шпинделей с подобранным комплектом фрез - так называемой многоинструментной обработки - период стойкости всей наладки должен быть большим, чем для одноинструментной обработки, так как затраты времени на съем, заточку и установку вновь большого количества фрез значительно превышают затраты при определении экономической стойкости одной фрезы.

Рис. 6. Средние значения периода стойкости фрез Т в мин. *Фрезы с напаянными пластинками твердого сплава; **Фрезы с коронками твердого сплава