Введение
Режущие инструменты, используемые во фрезерных станках
Фрезерные резцы — это режущие инструменты, обычно используемые во фрезерных станках или обрабатывающих центрах для выполнения фрезерных операций (а иногда и в других станках). Они удаляют материал посредством движения внутри станка (например, фреза с шаровым концом) или непосредственно за счет формы режущей кромки (например, формового инструмента, такого как зубчатая фреза).
Особенности фрезерного резака
Фрезерные резцы выпускаются в различных формах и множестве размеров. Также доступен выбор покрытий, угла наклона режущей кромки и количества режущих поверхностей. Форма: В промышленности используется несколько стандартных форм фрезерных резцов, которые подробно описаны ниже. Канавки / зубы: Канавки фрезы – это глубокие спиральные желобки, идущие вдоль режущей части, а острый режущий край вдоль края канавки называется зубом. Зуб режет материал, а стружка от этого материала поднимается вверх по канавке вращением резака. Обычно на каждой канавке находится один зуб, но некоторые резцы имеют два зуба на канавке. Часто термины «канавка» и «зуб» используются как взаимозаменяемые. Фрезерные резцы могут иметь от одного до множества зубов, при этом наиболее распространены два, три и четыре зуба. Как правило, чем больше зубов у резака, тем быстрее он может удалять материал. Например, резак с четырьмя зубами может удалять материал в два раза быстрее, чем резак с двумя зубами. Угол спирали: Канавки фрезерного резака почти всегда спиральные. Если бы канавки были прямыми, весь зуб сразу бы воздействовал на материал, вызывая вибрацию и снижая точность и качество поверхности. Установка канавок под углом позволяет зубу постепенно входить в материал, уменьшая вибрацию. Обычно чистовые резцы имеют больший угол наклона режущей кромки (более плотную спираль) для достижения лучшей чистоты поверхности. Центрорез: Некоторые фрезерные резцы могут сверлить отверстия прямо вниз (погружаться) в материал, в то время как другие – нет. Это связано с тем, что зубы некоторых резцов не доходят до центра торцевой поверхности. Однако эти резцы могут резать вниз под углом примерно 45 градусов. Черновое или чистовое фрезерование: Существуют различные типы резцов для удаления больших объемов материала, оставляя грубую поверхность (черновое фрезерование), или для удаления небольшого количества материала, но оставляя хорошую поверхность (чистовое фрезерование). Черновой резак может иметь зубчатые зубы для разрушения стружки материала на более мелкие части. Эти зубы оставляют после себя грубую поверхность. Чистовой резак может иметь большое количество зубов (четыре или более) для аккуратного удаления материала. Однако большое количество канавок оставляет мало места для эффективного удаления стружки, поэтому они менее подходят для удаления больших объемов материала. Покрытия: Правильные покрытия инструмента могут существенно влиять на процесс резания, увеличивая скорость резания и срок службы инструмента, а также улучшая качество поверхности. Поликристаллический алмаз (PCD) – это исключительно твердое покрытие, используемое на резцах, которые должны выдерживать высокую абразивную износостойкость. Инструмент с покрытием PCD может прослужить до 100 раз дольше, чем непокрытый инструмент. Однако покрытие нельзя использовать при температурах выше 600°C или на черных металлах. Инструменты для обработки алюминия иногда покрывают TiAlN. Алюминий – относительно липкий металл, который может привариваться к зубам инструмента, делая их тупыми. Однако он не прилипает к TiAlN, что позволяет использовать инструмент в алюминии значительно дольше. Хвостовик: Хвостовик – это цилиндрическая (не имеющая канавок) часть инструмента, которая используется для его удержания и позиционирования в державке инструмента. Хвостовик может быть идеально круглым и удерживаться трением, или он может иметь плоскую поверхность Weldon, где установочный винт, также известный как винт-заглушка, обеспечивает контакт для увеличения крутящего момента без проскальзывания инструмента. Диаметр хвостовика может отличаться от диаметра режущей части инструмента, чтобы его можно было закрепить в стандартной державке. Длина хвостовика также может быть доступна в различных размерах: относительно короткие хвостовики (около 1,5 диаметра) называются «короткими», длинные (5 диаметров), очень длинные (8 диаметров) и сверхдлинные (12 диаметров).
Конечная мельница
Концевые фрезы (средний ряд на изображении) – это инструменты, имеющие режущие зубья на конце и по бокам. Термин "концевая фреза" обычно относится к фрезам с плоским дном, но также включает фрезы с округленным концом (называемые сферическими) и фрезы с радиусным концом (называемые "бычий нос" или тороидальные). Обычно они изготавливаются из быстрорежущей стали или твердого сплава и имеют один или несколько зубьев (канавок). Это наиболее распространенный инструмент, используемый на вертикально-фрезерных станках.
Мельница для конечного грубления
Концевые фрезы для черновой обработки быстро удаляют большие объемы материала. Этот тип фрезы использует волнистую форму зубьев, вырезанную по периметру. Эти волнистые зубья действуют как множество последовательных режущих кромок, образуя множество мелких стружек. Это приводит к относительно шероховатой поверхности, но стружка образуется в виде коротких тонких секций и легче контролируется, чем более толстые лентообразные, что приводит к образованию более мелких стружек, которые легче удалять. Во время резания несколько зубьев одновременно контактируют с заготовкой, уменьшая дребезг и вибрацию. Быстрое удаление материала при тяжелых режимах резания иногда называют "черновой обработкой" или "хоггингом". Концевые фрезы для черновой обработки также иногда называют фрезами "rippa" или "ripper".
Кружевая резаль
Круглые носовые фрезы или фрезы с шаровым концом (нижний ряд на изображении) похожи на концевые фрезы, но их конец имеет полусферическую форму. Они идеально подходят для обработки трехмерных контурных поверхностей в обрабатывающих центрах, например, при изготовлении пресс-форм и штампов. В цеховом сленге их иногда называют шаровыми фрезами, хотя этот термин имеет и другое значение. Они также используются для создания радиуса на стыке перпендикулярных поверхностей, чтобы снизить концентрацию напряжений. Булева фреза фрезерует паз с закругленными углами, промежуточный между концевой фрезой и шаровой фрезой; например, это может быть фреза диаметром 20 мм с радиусом скругления угла 2 мм. Силуэт представляет собой, по сути, прямоугольник с усеченными углами (либо скосом, либо радиусом).
Мельница из плотины
Площадные фрезы используются как самостоятельно, так и в составе многофрезных операций на ручных горизонтальных или универсальных фрезерных станках для быстрой обработки больших плоских поверхностей. В настоящее время они вытеснены применением концевых фрез с твердосплавными пластинами, которые используются в вертикальных фрезерных станках или обрабатывающих центрах.
Режущий механизм с боковой и лицевой стороны
Боковой и торцевой резец имеет режущие зубья как на боковой поверхности, так и по окружности. Они изготавливаются различных диаметров и ширины в зависимости от области применения. Зубья на боковой поверхности позволяют резцу выполнять несбалансированные резы (резка только с одной стороны), не вызывая отклонения инструмента, как это произошло бы при использовании прорезного или шлицевого резака (без боковых зубьев). Резцы такой конструкции были первыми разработанными фрезерными резцами. С 1810-х годов и по крайней мере до 1880-х они были наиболее распространенной формой фрезерных резцов, в то время как сегодня это звание, вероятно, принадлежит концевым фрезам. Традиционно, боковые и торцевые резцы из быстрорежущей стали используются для фрезерования пазов и канавок.
Инволитный резчик передач
Есть 8 режущих инструментов (за исключением редких полуразмеров), которые позволяют нарезать зубчатые колеса от 12 зубов и до зубчатой рейки (бесконечного диаметра).
Хоб
Эти резцы являются разновидностью формообразующего инструмента и используются в зубонарезных станках для изготовления зубчатых колес. Поперечное сечение зуба резца формирует необходимую форму на заготовке при установке соответствующих параметров (размер заготовки). Зубонарезной станок – это специализированный фрезерный станок.
Шлифовальная мельница
В то время как резец-хобот зацепляет заготовку подобно зубчатому колесу при обкатке (и постепенно снимает материал, пока не достигнет окончательной формы), фреза для нарезания резьбы работает подобно концевой фрезе, перемещаясь вокруг заготовки по спиральной траектории.
Лицевая мельница
Лицевая фреза – это режущий инструмент, предназначенный для чистовой обработки плоских поверхностей, в отличие, например, от фрезерования карманов (торцевыми фрезами). Режущие кромки лицевых фрез всегда расположены по бокам инструмента. Следовательно, она всегда должна резать в горизонтальном направлении на заданной глубине, входя со стороны заготовки. Множество зубьев распределяют нагрузку на стружку, а поскольку зубья обычно представляют собой сменные твердосплавные пластины, такое сочетание обеспечивает высокую производительность и эффективность при чистовой обработке больших поверхностей.
Мухорез
Мухорез состоит из корпуса, в который вставляются один или два режущих инструмента. При вращении всего устройства режущие инструменты снимают широкие, мелкие срезы для обработки поверхности. Мухорезы аналогичны концевым фрезам в том, что их назначение – обработка поверхности, а отдельные режущие инструменты заменяемы. Концевые фрезы более предпочтительны по различным параметрам (например, жесткость, возможность индексации пластин без изменения эффективного диаметра резака или смещения длины инструмента, глубина резания), но, как правило, дороги, в то время как мухорезы очень дешевы. Большинство мухорезов имеют просто цилиндрический центральный корпус, в котором удерживается один режущий инструмент. Обычно это стандартный левый резец, установленный под углом от 30 до 60 градусов. Мухорезы с двумя режущими инструментами не имеют "официального" названия, но их часто называют двойными мухорезами, мухорезами с двумя концами или мухорезами-штангами. Последнее название отражает то, что они часто представляют собой стальную штангу с закрепленным на каждом конце режущим инструментом. Часто эти инструменты устанавливаются под прямым углом к основной оси штанги, а геометрия резания обеспечивается использованием стандартного правого резца. Обычные мухорезы (с одним инструментом, диаметр обычно менее 100 мм) широко продаются в каталогах инструментальной оснастки для механиков. Мухорезы-штанги редко продаются в коммерческой продаже; их обычно изготавливают сами пользователи. Мухорезы-штанги, возможно, немного опаснее в использовании, чем концевые фрезы и обычные мухорезы, из-за их большего размаха. Как выразился один механик, работа с мухорезом-штангой – это как "работа с газонокосилкой без деки", то есть открытый вращающийся резак представляет собой значительный риск для близлежащих ручных инструментов, тряпок, пальцев и т.д. Однако, учитывая, что механик не может быть беспечным при работе с вращающимися режущими инструментами или заготовками, это просто означает использование той же осторожности, что и всегда, но с немного большими рисками. Хорошо изготовленные мухорезы-штанги в руках ответственного оператора обеспечивают долгие годы бесперебойной, экономически эффективной работы при обработке больших многоугольных деталей, таких как штамповые блоки.
Резатель для древесины
Резцы для обработки пазов Вудруффа используются для фрезерования паза под ключ Вудруффа.
Дубная мельница
Полые фрезерные резцы, чаще называемые просто полыми фрезами, по сути, являются «вывернутыми наизнанку концевыми фрезами». Они имеют форму трубы (но с более толстыми стенками), с режущими кромками на внутренней поверхности. Изначально они использовались на башненных токарных станках и многошпиндельных автоматах как альтернатива обработке коробчатым инструментом, или на фрезерных станках и сверлильных прессах для окончательной обработки цилиндрической ступицы (например, цапфы). Полые фрезы могут использоваться на современных токарных станках с ЧПУ и швейцарских типах станков. Преимущество использования индексной регулируемой полой фрезы на швейцарском станке заключается в замене нескольких инструментов. Выполняя несколько операций за один проход, станок не требует размещения других инструментов в зоне инструментов и повышает производительность. Более продвинутые полые фрезы используют сменные карбидные пластины для резания, хотя традиционные быстрорежущие и карбидные лезвия все еще применяются. Полое фрезерование имеет преимущество перед другими способами резания, поскольку позволяет выполнять несколько операций одновременно. Полой фрезой можно уменьшить диаметр детали, а также выполнять подрезку торца, центровку и снятие фаски за один проход. Полые фрезы превосходят одноточечные инструменты. Множество лезвий позволяют удвоить скорость подачи и обеспечивают более высокую соосность. Количество лезвий может варьироваться от 3 до 8. Для значительного удаления диаметра (черновой обработки) требуется больше лезвий. Трепанация также возможна с помощью полой фрезы. Специальные профильные лезвия могут использоваться на полой фрезе для трепанации диаметров, форм и кольцевых канавок. Интерполяция также не требуется при использовании полой фрезы, что может значительно сократить время производства. С помощью полой фрезы можно создавать как выпуклые, так и вогнутые сферические радиусы. Множество лезвий полой фрезы позволяют создавать этот радиус с высокой точностью. Распространенное применение полой фрезы – подготовка к нарезанию резьбы. Полая фреза может быстро создать стабильный предварительный диаметр резьбы, повышая производительность. Регулируемая полая фреза – ценный инструмент даже для небольшой мастерской, поскольку лезвия можно заменять, получая практически бесконечное количество возможных геометрий.
Модульный принцип
Шелковый фрезер – это любой из различных типов фрезерных резцов (обычно концевая или торцевая фреза), конструкция которого выполнена в модульном виде: хвостовик (шпиндель) изготавливается отдельно от тела резца, называемого "корпусом" и соединяемого с хвостовиком/шпинделем одним из нескольких стандартизированных способов. Такая модульная конструкция целесообразна для крупных фрезерных резцов по той же причине, что и в больших дизельных двигателях отдельные детали используются для каждого цилиндра и головки блока, в то время как в двигателях меньшего размера применяется единая интегрированная отливка. Это обусловлено двумя факторами: 1) производителю более удобно (и, следовательно, дешевле) изготавливать отдельные детали независимо друг от друга, чем обрабатывать все их элементы относительно друг друга в единой интегрированной конструкции (что потребовало бы станка большего размера); и 2) пользователь может заменять некоторые детали, сохраняя другие неизменными (вместо замены всего резца целиком). Один хвостовик (при гипотетической цене 100 долларов США) может использоваться с различными корпусами в разное время. Таким образом, для 5 различных фрезерных резцов может потребоваться всего 100 долларов США на хвостовики, а не 500 долларов США, если рабочий процесс цеха не требует одновременной установки всех резцов. Также возможно, что при поломке резца повреждается только корпус, а не корпус и хвостовик вместе. Для дополнительной защиты корпуса многие резцы, особенно больших диаметров, оснащены еще одной сменной деталью – прокладкой (шимом), которая крепится к корпусу, а на прокладку устанавливаются сменные пластины. В этом случае, при незначительных повреждениях, требуется замена только пластины и, в максимальном случае, прокладки. Сам корпус остается в рабочем состоянии. Это можно сравнить с поломкой обычной концевой фрезы, при которой можно повторно использовать хвостовик, а не терять его вместе с режущими кромками. Большинство современных шелковых фрезеров используют сменные пластины (индексные резцы) для режущих кромок – таким образом, хвостовик, корпус и режущие кромки являются модульными компонентами.
Методы монтажа
Существует несколько распространенных стандартизированных методов крепления расточных головок к их арборам. Они частично (но не полностью) совпадают с аналогичным соединением патронов токарных станков со шпинделем. Наиболее распространенный тип соединения расточной головки и арбора включает в себя достаточно большую цилиндрическую поверхность в центре (для обеспечения концентричности расточной головки относительно арбора) и два приводных выступа или штифта, передающих вращение расточной головке посредством надежного зацепления (по принципу собачки сцепления). Внутри этой центральной цилиндрической области расточная головка крепится к арбору одним или несколькими винтами с потайной головкой. Другой тип крепления – просто резьба большого диаметра с мелким шагом. В этом случае расточная головка навинчивается на арбор так же, как задняя плита старого токарного патрона на шпиндель токарного станка. Этот метод часто используется в расточных головках диаметром 2" или 3", применяемых на вертикально-фрезерных станках. Как и в случае с патронами с резьбовым креплением к шпинделю, этот способ монтажа требует, чтобы резец выполнял обработку только в одном направлении вращения. Обычно (то есть при правосторонней спирали) это означает только M03, никогда M04, или, в терминологии до эпохи ЧПУ, "только вперед, никогда назад". Можно использовать левую резьбу, если требуется работа в противоположном направлении (то есть только M04, никогда M03).
Обычная фрезеровка против подъемной фрезеровки
Фрезерный резец может резать в двух направлениях, иногда называемых прямым (обычным) и встречным (подъемным). Прямая фрезеровка (слева): толщина стружки начинается с нуля и увеличивается до максимальной. В начале рез настолько легкий, что инструмент не режет, а скользит по поверхности материала, пока не создастся достаточное давление, и зуб не начнет внезапно врезаться и резать. Это деформирует материал (в точке А на диаграмме, слева), упрочняя его и затупляя инструмент. Скольжение и врезание приводят к некачественной обработке поверхности. Встречная фрезеровка (справа): каждый зуб входит в материал в определенной точке, а ширина реза начинается с максимальной и уменьшается до нуля. Стружка удаляется за резцом, что облегчает удаление опилок. Зуб не шлифует материал, поэтому срок службы инструмента может быть увеличен. Однако встречная фрезеровка может создавать более высокие нагрузки на станок, поэтому она не рекомендуется для старых фрезерных станков или станков, находящихся не в лучшем состоянии. Этот тип фрезеровки преимущественно используется на станках с компенсатором люфта.
Местоположение режущего устройства (компенсация радиуса режущего устройства)
Расположение режущего инструмента – это вопрос о том, где разместить инструмент для получения желаемого контура (геометрии) детали, учитывая, что размер инструмента не равен нулю. Наиболее распространенным примером является компенсация радиуса режущего инструмента (CRC) для концевых фрез, при которой центральная линия инструмента смещается от целевой позиции на вектор, величина которого равна радиусу инструмента, а направление определяется выбором стороны обработки (левая/правая), направления подачи (прямая/встречная) и ориентации (вверх/вниз). В большинстве реализаций G-кода управление CRC осуществляется командами G40, G41 и G42 (G40 – отмена компенсации, G41 – компенсация слева/прямая подача, G42 – компенсация справа/встречная подача). Значения радиуса для каждого инструмента вводятся оператором или программистом ЧПУ в регистры смещений, которые затем корректируются в процессе производства для поддержания размеров готовой детали в пределах допуска. Для 3D-контурирования при 3-, 4- или 5-осевой фрезеровки шаровым концевым инструментом, определение положения режущего инструмента обычно выполняется в CAM-системе, а не вручную. Как правило, векторные данные, сформированные CAM-системой, преобразуются в G-код с помощью постпроцессора, настроенного для конкретной модели системы ЧПУ. Некоторые современные системы ЧПУ принимают векторные данные напрямую и самостоятельно преобразуют их во входные сигналы для сервоприводов.
Удаление гвозди
Еще одно важное качество фрезерного резака, которое следует учитывать, – это его способность справляться со стружкой, образующейся в процессе резания. Если стружка не удаляется так же быстро, как образуется, канавки забиваются и препятствуют эффективной работе инструмента, вызывая вибрацию, износ и перегрев. На удаление стружки влияют несколько факторов, включая глубину и угол канавок, размер и форму стружки, подачу охлаждающей жидкости и обрабатываемый материал. Предсказать это может быть сложно, но опытный станочник будет следить за накоплением стружки и корректировать режимы фрезерования при ее обнаружении.
Выбор фрезерной машинки
Выбор фрезерного резака – непростая задача. Существует множество переменных, мнений и устоявшихся практик, которые необходимо учитывать, но по сути фрезеровщик стремится выбрать инструмент, который позволит обработать материал в соответствии с требуемыми спецификациями с минимальными затратами. Стоимость обработки – это сочетание цены инструмента, времени работы фрезерного станка и времени работы фрезеровщика. Часто, при обработке большого количества деталей и в течение многих дней, стоимость инструмента оказывается наименьшей из трех составляющих затрат. Материал: Резцы из быстрорежущей стали (HSS) – самые дешевые и наименее долговечные. Кобальтовые быстрорежущие стали обычно можно использовать на 10% быстрее, чем обычная быстрорежущая сталь. Инструменты из твердого сплава дороже, чем стальные, но служат дольше и могут работать на значительно более высоких скоростях, что делает их более экономичными в долгосрочной перспективе. Инструменты HSS вполне подходят для многих задач. Переход от обычной HSS к кобальтовой HSS и затем к твердому сплаву можно рассматривать как очень хороший, еще лучше и оптимальный вариант. Использование высокоскоростных шпинделей может полностью исключить возможность использования HSS. Диаметр: Большие инструменты удаляют материал быстрее, чем маленькие, поэтому обычно выбирается максимально возможный резак, который поместится в заготовку. При фрезеровании внутренних контуров или вогнутых внешних контуров диаметр ограничивается размером внутренних кривых. Радиус режущей кромки должен быть меньше или равен радиусу наименьшей дуги. Канавки: Большее количество канавок позволяет использовать более высокую подачу, поскольку на каждую канавку удаляется меньше материала. Однако, поскольку увеличивается диаметр сердечника, остается меньше места для стружки, поэтому необходимо найти баланс. Покрытие: Покрытия, такие как нитрид титана, также увеличивают первоначальную стоимость, но снижают износ и увеличивают срок службы инструмента. Покрытие TiAlN уменьшает прилипание алюминия к инструменту, снижая или даже устраняя необходимость в смазке. Угол наклона спирали: Высокие углы наклона спирали обычно лучше всего подходят для мягких металлов, а низкие углы – для твердых или вязких металлов.
История
История фрезерных станков неразрывно связана с историей фрезерных машин. Фрезерная обработка произошла от ротационной шлифовки, поэтому существует преемственность развития от самых ранних известных фрезерных резцов, таких как резец Жака де Вокансона, созданный примерно в 1760-х или 1770-х годах, через резаки пионеров фрезерного дела 1810-х – 1850-х годов (Уитни, Норт, Джонсон, Насмит и другие), до резцов, разработанных Джозефом Р. Брауном из Brown & Sharpe в 1860-х годах, которые рассматривались как прорыв, благодаря значительному прогрессу в грубости зубьев и геометрии, позволяющей многократно затачивать резец без потери зазора (угла наклона, бокового угла и т.п.). Де Врис (1910).
Вудбери приводит ссылки на патенты, описывающие различные усовершенствования в конструкции фрезерных резцов, включая нерегулярное расположение зубьев (1867), конструкции со вставными зубьями (1872), спиральную канавку для разрушения стружки (1881) и другие. Он также приводит ссылку на то, как внедрение вертикально-фрезерных станков способствовало более широкому использованию концевых фрез и дисковых фрез. Научные исследования, проведенные Хольцем и Де Лиу из Cincinnati Milling Machine Company, сделали зубья еще более крупными и совершили с фрезерными резцами то же, что Ф.У. Тейлор сделал с одноточечными резцами своими знаменитыми научными исследованиями резания.
Общая библиография
Соиздание: Нью-Йорк, Spon & Chamberlain, 1910. Впервые опубликована отдельно в виде монографии в 1960 году.