Фрезы концевые: типы, характеристики и применение.

Введение

Фреза, предназначенная для осевой обработки.

Концевая фреза – это тип фрезы, режущий инструмент, используемый в промышленных фрезерных операциях. Она отличается от сверла по области применения, геометрии и способу изготовления. В то время как сверло может резать только в осевом направлении, большинство фрез могут резать в радиальном направлении. Не все фрезы способны к осевой обработке; те, которые предназначены для осевой обработки, называются концевыми фрезами. Концевые фрезы используются в фрезерных операциях, таких как профильная фрезеровка, контурная фрезеровка, фрезеровка плоскостей и зенкерование.

Типы

Существует несколько широких категорий концевых и торцевых фрез, таких как фрезы с центральной режущей кромкой и без нее (определяет возможность выполнения погружных фрезерований); категоризация по количеству зубьев; по углу спирали; по материалу; и по материалу покрытия. Каждая категория может быть дополнительно разделена по конкретному применению и специальной геометрии. Очень распространенный угол спирали, особенно для общей обработки металлических материалов, составляет 30°. Для чистовых фрез обычно используется более плотная спираль с углами спирали 45° или 60°. Фрезы с прямыми зубьями (угол спирали 0°) используются в специальных областях применения, например, при обработке пластмасс или композитов на основе эпоксидных смол и стекла. Фрезы с прямыми зубьями также исторически использовались для обработки металла до изобретения фрезы со спиральными зубьями Карлом А. Бергстромом из Weldon Tool Company в 1918 году. Существуют фрезы с переменным углом спирали зубьев или псевдослучайным углом спирали, а также с прерывистой геометрией зубьев, чтобы облегчить разрушение материала на более мелкие фрагменты во время резания (улучшить удаление стружки и снизить риск заклинивания) и уменьшить нагрузку на инструмент при больших глубинах резания. Некоторые современные конструкции также включают небольшие элементы, такие как фаска на углу и стружколом. Хотя они и дороже из-за более сложной конструкции и производственного процесса, такие фрезы могут служить дольше благодаря меньшему износу и повысить производительность при высокоскоростной обработке (HSM). Все чаще традиционные цельные фрезы заменяются более экономичными сборными режущими инструментами (которые, хотя и дороже при первоначальной покупке, сокращают время на смену инструмента и позволяют легко заменять изношенные или сломанные режущие кромки, а не весь инструмент). Еще одним преимуществом индексных фрез (другое название для инструментов со сборными режущими элементами) является их универсальность в отношении обрабатываемых материалов, в отличие от более традиционных фрез, которые специализируются на определенном типе материала. Однако на данный момент это в основном относится к фрезам большего диаметра, от 3/4 дюйма и выше. Эти фрезы обычно используются для чернового фрезерования, в то время как традиционные фрезы по-прежнему используются для чистовой обработки и работ, где требуется меньший диаметр или более высокая точность; модульные системы оснастки вносят дополнительные погрешности, которые могут накапливаться с каждым новым компонентом, в то время как цельный инструмент может обеспечить меньший диапазон допусков за ту же цену. Фрезы продаются как с дюймовыми, так и с метрическими диаметрами хвостовика и режущей части. В США метрические размеры легко доступны, но используются не во всех, а лишь в некоторых механических цехах; в Канаде, из-за близости к США, ситуация аналогична. В Азии и Европе стандартными являются метрические диаметры.

Several broad categories of end and face milling tools exist, such as center cutting versus non center cutting (whether the mill can take plunging cuts); and categorization by number of flutes; by helix angle; by material; and by coating material. Each category may be further divided by specific application and special geometry. A very popular helix angle, especially for general cutting of metal materials, is 30°. For finishing end mills, it is common to see more tight spiral, with helix angles 45° or 60°. Straight flute end mills (helix angle 0°) are used in special applications, like milling plastics or composites of epoxy and glass. Straight flute end mills were also used historically for metal cutting before invention of helical flute end mill by Carl A. Bergstrom of Weldon Tool Company in 1918. There exist end mills with variable flute helix or pseudo random helix angle, and discontinuous flute geometries, to help break material into smaller pieces while cutting (improving chip evacuation and reducing risk of jamming) and reduce tool engagement on big cuts. Some modern designs also include small features like the corner chamfer and chipbreaker. While more expensive, due to more complex design and manufacturing process, such end mills can last longer due to less wear and improve productivity in high speed machining (HSM) applications. It is becoming increasingly common for traditional solid end mills to be replaced by more cost effective inserted cutting tools (which, though more expensive initially, reduce tool change times and allow for the easy replacement of worn or broken cutting edges rather than the entire tool). Another advantage of indexable end mills(another term for tools with inserts) is their ability to be flexible with what materials they can work on, rather than being specialized for a certain material type like more traditional end mills. For the time being however, this only generally applies to larger diameter end mills, at or above 3/4 of an inch. These end mills are generally used for roughing operation, whereas traditional end mills are still used for finishing and work where a smaller diameter, or a tighter tolerance, are required; modular tooling introduces additional margins of error that can compound with each new component, whereas a solid tool can provide a smaller tolerance range for the same price level. End mills are sold in both imperial and metric shank and cutting diameters. In the USA, metric is readily available, but it is only used in some machine shops and not others; in Canada, due to the country's proximity to the US, much the same is true. In Asia and Europe, metric diameters are standard.

Геометрия

Различные канавки, пазы и карманы в заготовке могут быть изготовлены с использованием разнообразных режущих инструментов. Наиболее распространенные типы режущих инструментов: концевые фрезы с квадратным концом, концевые фрезы с шаровым концом, фрезы для Т-образных пазов и цилиндрические фрезы. Концевые фрезы с квадратным концом позволяют фрезеровать квадратные пазы, карманы и кромки. Концевые фрезы с шаровым концом используются для фрезерования пазов с радиусом или скруглений. Фрезы для Т-образных пазов предназначены для фрезерования пазов Т-образной формы. Цилиндрические фрезы применяются для обработки больших плоских поверхностей и для наклонной обработки. Существуют также различные модификации этих типов инструментов. Каждый режущий инструмент характеризуется четырьмя ключевыми углами: углом режущей кромки, углом осевого уклона, углом радиального уклона и углом радиального наклона. В зависимости от обрабатываемого материала и поставленной задачи могут использоваться различные типы инструментов и геометрия. Например, при фрезеровании алюминия целесообразно использовать инструмент с очень глубокими, полированными канавками, очень острой режущей кромкой и большим углом наклона. Однако при обработке твердых материалов, таких как нержавеющая сталь, мелкие канавки и прямоугольная режущая кромка оптимизируют удаление материала и срок службы инструмента. Для изготовления режущих инструментов используется широкий спектр материалов. Наиболее распространены карбидные вставки, поскольку они подходят для высокопроизводительной фрезеровки. Высокоскоростная сталь обычно используется, когда требуется специальная форма инструмента, но не для массового производства. Керамические вставки обычно применяются при высокоскоростной обработке с высоким уровнем производства. Алмазные вставки обычно используются для изделий, требующих высокой точности, как правило, с высокими требованиями к качеству поверхности (для цветных или неметаллических материалов). В начале 90-х годов стало более распространенным использование покрытий. Покрытия могут обеспечивать различные преимущества, включая износостойкость, снижение трения для облегчения удаления стружки и повышение теплостойкости. Большинство этих покрытий идентифицируются по их химическому составу. + Распространенные покрытия для концевых фрез Покрытие Внешний вид Примечания TiN Желтый/Золотистый Базовое покрытие, которое постепенно выходит из широкого использования на концевых фрезах. Все еще широко используется в сверлах. TiCN Синевато-серый TiAlN и AlTiN Темно-серый или темно-фиолетовый Чрезвычайно популярное покрытие. TiAlCrN, AlTiCrN и AlCrTiN Синевато-серый PVD-покрытие Хотя PCD-вкрапления не являются покрытием, некоторые концевые фрезы изготавливаются с "вкраплениями" поликристаллического алмаза. Вкрапления формируются в условиях высокого давления и высокой температуры. Вкрапление формируется в заготовке, а затем материал удаляется вдоль вкрапления для формирования режущей кромки. Несмотря на высокую стоимость инструментов, они могут служить во много раз дольше, чем другие инструменты. Однако достигнут прогресс в области покрытий для концевых фрез, и такие покрытия, как аморфный алмаз и нанокомпозитные PVD-покрытия, начинают появляться на передовых предприятиях (по состоянию на 2004 год). Хотя покрытия обычно имеют определенный цвет, производители могут изменять процесс нанесения покрытия или добавлять добавки для изменения внешнего вида без ущерба для производительности в рамках своего брендинга. Яркие синие, красные и бирюзовые цвета – одни из "неестественных" цветов. Концевые фрезы обычно изготавливаются на станках с ЧПУ (числовым программным управлением) и режущих станках с использованием высоконапорных смазочных материалов, таких как вода, водорастворимое масло и масло с высокой точкой воспламенения. Шлифовка внутри станка выполняется с помощью абразивных кругов, установленных на шпинделе (а в некоторых случаях – на нескольких шпинделях). В зависимости от обрабатываемого материала эти круги изготавливаются из промышленного алмаза (при шлифовке карбида вольфрама), кубического нитрида бора (при шлифовке кобальтовой стали) и других материалов (например, при шлифовке керамики), закрепленных в связующем (иногда медном).

A variety of grooves, slots, and pockets in the work piece may be produced from a variety of tool bits. Common tool bit types are: square end cutters, ball end cutters, t slot cutters, and shell mills. Square end cutters can mill square slots, pockets, and edges. Ball end cutters mill radiused slots or fillets. T slot cutters mill exactly that: T shaped slots. Shell end cutters are used for large flat surfaces and for angle cuts. There are variations of these tool types as well. There are four critical angles of each cutting tool: end cutting edge angle, axial relief angle, radial relief angle, and radial rake angle. Depending on the material being milled, and what task should be performed, different tool types and geometry may be used. For instance, when milling a material like aluminum, it may be advantageous to use a tool with very deep, polished flutes, a very sharp cutting edge and high rake angles. When machining a tough material such as stainless steel, however, shallow flutes and a squared off cutting edge will optimize material removal and tool life. A wide variety of materials are used to produce the cutting tools. Carbide inserts are the most common because they are good for high production milling. High speed steel is commonly used when a special tool shape is needed, not usually used for high production processes. Ceramics inserts are typically used in high speed machining with high production. Diamond inserts are typically used on products that require tight tolerances, typically consisting of high surface qualities (nonferrous or non metallic materials). In the early 90s, use of coatings became more common. Coatings can provide various benefits including wear resistance, reduction of friction to assist with chip evacuation, and increased heat resistance. Most of these coatings are referred to by their chemical composition. + Common End Mill Coatings Coating Appearance Remarks TiN Yellow/Gold A basic coating that has fallen out of wide use on end mills. Still sees wide use in drills. TiCN Bluish grey TiAlN and AlTiN Dark grey or dark purple An extremely popular coating. TiAlCrN, AlTiCrN and AlCrTiN Bluish grey A PVD coating

Though PCD veins is not a coating, some end mills are manufactured with a 'vein' of polycrystalline diamond. The vein is formed in a high temperature high pressure environment. The vein is formed in a blank and then the material is ground out along the vein to form the cutting edge. Although the tools can be very costly, they can last many times longer than other tooling. Advances in end mill coatings are being made, however, with coatings such as Amorphous Diamond and nanocomposite PVD coatings beginning to be seen at high end shops (as of 2004). Although coatings have a typical color, manufacturers may modify the coating process or add additives to change the appearance without affecting the performance as part of their branding. Bright blues, reds and turquoise are among the "unnatural" colors. End mills are typically made on CNC (computer numeric controlled) tool and cutter grinder machines under high pressure lubricants such as water, water soluble oil, and high flashpoint oil. Grinding inside the machine is accomplished with abrasive wheels mounted on a spindle (and in some cases, multiple spindles). Depending on what material is being ground, these wheels are made with industrial diamond (when grinding tungsten carbide), cubic boron nitride (when grinding cobalt steel), and other materials (when grinding, for instance, ceramics), set in a bond (sometimes copper).

Операции

Огрубление: цель – удаление большого объема материала с заготовок, иногда для удаления излишков и приближения к окончательной форме. Задача огрубления – максимально приблизиться к финальной форме детали. Традиционно это первая основная операция в процессе механической обработки. Контурная обработка/Профилирование: это процесс обработки различных поверхностей, таких как плоские или неровные. Этот тип обработки может выполняться на этапах огрубления или чистовой обработки. Торцевание: это операция для получения детали с заданными размерами по торцу. Торцевание может выполняться концевыми фрезами или специальными торцевыми фрезами. Фрезерование карманов/Прорезка пазов: это процесс создания углубления (кармана) внутри детали. Глубина кармана может быть различной, в зависимости от требований спецификации.