Администратор, Автор в Про металлообработку

Фрезы с затылованными зубьями.

Эти фрезы получили широкое распространение в машиностроении, главным образом при обработке деталей с фасонными профилями. Некоторые из фрез стандартизованы: полукруглые, пазовые, дисковые, червячные (для нарезания зубчатых колес), гребенчатые (для нарезания резьбы) и др. Их изготавливают чаще всего в виде насадных фрез — дисковых или цилиндрических, реже — концевых фрез с фасонными главными режущими кромками. В процессе эксплуатации такие фрезы перетачиваются только по передней грани.

Для создания задних углов на фасонных режущих кромках фрезы используется процесс затылования, осуществляемый на специальных станках по схеме (рис. 1). Здесь фреза вращается вокруг оси, а затыловочный резец с фасонной режущей кромкой совершает возвратно-поступательные движения. Резец приближается к центру фрезы при ее повороте на 1/z оборота, а затем отскоком отходит от фрезы после обработки одного зуба и при подходе следующего. Цикл этих движений повторяется на каждом зубе, т.е. за один оборот фрезы резец совершает z возвратно-поступательных движений. Чтобы полностью обработать заднюю поверхность зубьев, фреза в процессе затылования делает несколько оборотов, так как за один оборот резец не может обработать большую площадь задней поверхности зуба, которая в конечном итоге представляет собой совокупность бесконечного числа следов фасонных режущих кромок резца, расположенных в радиальном сечении и сдвинутых одно относительно другого в направлении к центру фрезы. Благодаря этому создаются задние углы во всех точках режущих кромок, а при переточке по передней грани их форма в радиальном сечении будет оставаться неизменной.

Рис. 1. Схема процесса затылования (затыловочный резец показан в конце затылования).

При затыловании каждая точка режущих кромок перемещается по кривой затылования с приближением к центру фрезы по мере ее поворота. При этом, чтобы задние углы имели положительное значение, траектория движения каждой точки должна быть расположена внутри окружности, проведенной через эту точку из центра фрезы.

Форма кривой затылования задается формой кулачка (см. рис. 1), который управляет перемещением резца по мере поворота фрезы. При этом участок кулачка ABCD определяет рабочий ход затыловочного резца, а участок DA — холостой ход, при котором резец отходит от зуба фрезы. Полученная кривая затылования определяет картину изменения задних углов в процессе переточки и их величину в различных точках режущей кромки по высоте зуба.

К форме кривой предъявляются следующие требования: 1) задние углы при переточках и при изменении расстояния точки по высоте зуба не должны уменьшаться; 2) форма кулачка должна быть простой в изготовлении и не зависеть от диаметра фрезы и числа зубьев. Из известных кривых, применявшихся для затылования (логарифмическая и архимедова спирали, конхоида прямой и др.), этим требованиям лучше всего отвечает архимедова спираль (рис. 2), которая и нашла наибольшее применение на практике. Она образуется от центра, и при повороте радиуса-вектора вокруг оси его величина увеличивается пропорционально углу поворота. Отсюда уравнение архимедовой спирали в полярных координатах имеет вид

R_i = αφ_i

где R_i — значение радиуса-вектора при его повороте на угол φ_i; α — коэффициент пропорциональности.

Профиль кулачка по архимедовой спирали можно весьма просто получить на любом токарном станке при поперечной подаче резца, которая кинематически согласована с вращением шпинделя станка.

Уравнение можно записать также в виде

где A_α — характеристика (шаг) архимедовой спирали (при повороте радиуса-вектора на один оборот вокруг центра, т.е. на угол φ_i = 2π, величина R_i = A_α).

Для любой i-й точки кривой затылования найдем задний угол α_i, как угол между нормалью N к радиусу-вектору R_i и касательной к этой кривой. Дополнением до 90° к нему будет угол ψ_i, т.е. α_i+ψ_i = 90°. Из аналитической геометрии известно, что tgψ_i, равен отношению функции R_i = αφ_i к ее производной, т.е.

следовательно,

Используя уравнение R_i = αφ_i, можно выразить α_i как

Определение величины падения затылка, зуба фрезы, затылованного по архимедовой спирали — Рис. 3. Определение величины падения затылка k_z , зуба фрезы, затылованного по архимедовой спирали.

Из этого уравнения следует, что по мере переточки зуба фрезы радиус-вектор R_i будет уменьшаться и, следовательно, будет увеличиваться и задний угол α_i. В точках, лежащих ниже вершины зуба на расстоянии h_i,

т.е. задний угол по мере приближения точки к центру не уменьшается. Из этого следует, что архимедова спираль отвечает первому требованию, предъявляемому к кривым затылования.

Следует отметить, что при затыловании через каждую из точек режущей кромки, лежащих ниже вершины зуба, проходит эквидистантная архимедова спираль с меньшим шагом A_α. Расчеты показывают, что, например, при переточке фрезы диаметром d = 60 мм с высотой зуба h = 10 мм при повороте передней грани фрезы на 30° от начального положения угол α_в на вершине зуба увеличивается от 9° до 9°52′, а у основания зуба — соответственно от 17°39′ до 20°57′. Таким образом, наибольшее влияние на значение угла α оказывает не переточка, а радиус окружности, на которой лежит точка режущей кромки.

Важным параметром кривой затылования является величина падения затылка k_z, которая зависит от величины заднего угла на вершине зуба фрезы α_в, диаметра фрезы и числа ее зубьев. Как видно из рис. 1 и рис. 3, величина k_z отсчитывается на передней грани соседнего зуба от точки пересечения ее с кривой затылования до вершины зуба, лежащей на наружной окружности. Заштрихованная часть (рис. 1) — это объем металла, удаляемый на вершине зуба при затыловании.

Из рис. 3 следует, что величина падения затылка BC на одном зубе, замеренная на его вершине,

k_z = d/2 — R_В = d/2-αφ_В

где R_В — радиус-вектор архимедовой спирали в точке B.

При этом d /2 = A_αn, φ_i = 2πn, если используется участок архимедовой спирали, полученный при n — целом числе оборотов радиуса-вектора или числе шагов спирали (на рис. 3 число шагов n = 2).

Из рис. 3 также следует, что угол поворота радиуса-вектора R_B равен

φ_В = 2πn — ε

где ε — угловой шаг между зубьями (ε = 2π / z).

Из уравнений выразим значение коэффициента архимедовой спирали для вершины зуба (точка А)

Подставив в уравнение значения α и φ_В, получим

Из уравнения следует, что задний угол вершинной точки зуба tgα_В в точке А может быть найден из соотношения

tgα_В = 1/φ_А = 1/2πn

Следовательно, величину падения затылка можно выразить как

Аналогичное уравнение для определения k_z можно также найти из треугольника с криволинейными сторонами АВС, рассматривая его приближенно как прямоугольный треугольник, где АС и ВС — катеты, угол АСВ = 90°. В этом случае AC = πd/ z — окружной шаг зубьев, а катет ВС = k_z, α_В — задний угол при вершине треугольника в точке А. Отсюда величина падения затылка равна

Значение k_z указывают на кулачках для затылования. Зная диаметр и число зубьев фрезы и задавшись необходимым значением угла α_В, подбирают нужный кулачок по величине k_z, рассчитанной по уравнению. Кулачки для оснащения затыловочных станков изготавливают серийно комплектами с k_z = 0,5…12,0 мм (через 0,25 мм для фрез малых диаметров, через 0,5 мм — для фрез средних диаметров и через 1…2 мм — для фрез больших диаметров).

Задние углы на участках режущих кромок, непараллельных оси фрезы — Рис. 4. Задние углы α_N на участках режущих кромок, непараллельных оси фрезы:
а — на наклонном прямом участке (прямое затылование); б — на криволинейном участке; в — на участке, перпендикулярном оси фрезы (наклонное затылование)

Задние углы на участках режущих кромок, наклонных к оси фрезы.

Приведенные выше формулы для расчета задних углов получены в плоскости, перпендикулярной к оси фрезы, т.е. они справедливы только для участков режущих кромок, параллельных ее оси. Найдем их значения α_N в нормальных сечениях на участках, наклонных к оси, в том числе криволинейных. Знать эти углы крайне необходимо, так как от угла α_N зависит работоспособность всей фрезы. На рис. 4 показана фреза с ломаной режущей кромкой, часть которой АВ параллельна оси, а участок ВС наклонен. При этом угол наклона φ между нормалью к оси и режущей кромкой может меняться в пределах от 0 до 90°.

Если затыловочный резец совершает возвратно-поступательное перемещение в радиальном направлении (прямое затылование), то на участке АВ величина падения затылка равна

а на участке ВС

Так как k_z2 = k_z1 sin φ, то из соотношения этих уравнений следует, что

tg α_N₂ = tg α₁sin φ

С учетом переменного значения радиуса в любой i-й точке наклонного участка режущей кромки

Из уравнения следует, что при φ→0 угол α_i уменьшается и на участках режущей кромки, перпендикулярных оси, будет равен нулю. При малых значениях угла φ угол α_i должен быть не менее 2…3°, а в исключительных случаях — не менее 1,0…1,5°.

Если наклонные участки имеют криволинейную (выпуклую или вогнутую) форму, то для определения α_N_i она заменяется касательной (рис. 4, б) и расчет ведется по уравнению с учетом значения угла наклона φ этой касательной.

В случае, когда участок кромки ВС перпендикулярен оси (рис. 4, в), то во избежание нулевых значений угла α применяют наклонное затылование, которое заключается в изменении направления перемещения затыловочного резца от прямого радиального в наклонное к оси фрезы.

Угол поворота суппорта затыловочного станка τ найдем на рис. 4, в, задаваясь необходимыми значениями углов α₁ и α₂ и, соответственно, величинами k_z1 и k_z2.

Как видно из рис. 4, в

Фрезы, оснащенные твердым сплавом.

Конструкции фрез и условия их работы позволяют широко использовать для их оснащения высокопроизводительные твердые сплавы, минералокерамику и СТМ, которые, однако, обладают пониженной прочностью на изгиб и хрупкостью. Широкому применению твердых сплавов способствуют следующие достоинства процесса фрезерования: 1) благоприятная форма стружки, имеющая малые толщину и длину, обеспечивающая ее хорошую транспортабельность; 2) прерывистость процесса резания, снижающая тепловое напряжение режущих элементов; 3) высокие жесткость и виброустойчивость.

Эти свойства обусловили благоприятные возможности для применения СМП, а большие размеры корпусов фрез позволяют размещать на них элементы крепления сменных пластин.

К недостаткам процесса фрезерования относятся: 1) работа с ударами; 2) высокая вероятность работы в условиях неравномерного фрезерования, вызывающего колебания и вибрации; 3) врезание с нулевой толщиной стружки (при цилиндрическом фрезеровании); 4) затрудненное стружкоудаление при работе концевых, дисковых и пазовых фрез; 5) высокая стоимость изготовления сборных фрез при жестких требованиях к осевому и радиальному биениям режущих кромок.

Однако, как показала практика, принимая меры к устранению или снижению влияния неблагоприятных факторов на стойкость и производительность процесса фрезерования, удалось добиться в большинстве конструкций фрез широкого применения новых марок режущих материалов и главным образом твердых сплавов. Особенно высокие результаты в этом направлении получены при разработке конструкций торцевых фрез, оснащенных СМП, которые практически вытеснили ранее широко применяемые фрезы с напайными твердосплавными пластинами.

Напайные пластины используют только при изготовлении мелкоразмерных фрез, в которых не удается разместить элементы механического крепления пластин. Но даже и в этих случаях при резании труднообрабатываемых материалов предпочтение отдается монолитным фрезам, изготовленным целиком из твердого сплава и полученным путем прессования в специальных пресс-формах.

Рис. 1. Мелкоразмерные твердосплавные фрезы:
*а —* концевая фреза с монолитной твердосплавной режущей частью; б — дисковая твердосплавная фреза

Применяются также способы изготовления монолитных фрез или их режущей части методом вышлифовывания из твердосплавных заготовок алмазными кругами, а также резанием из пластифицированных заготовок с последующим их спеканием. Освоено, например, производство цельных твердосплавных концевых фрез диаметром 3…12 мм (рис. 1, а), а также узких дисковых и других видов фрез с прямыми или винтовыми зубьями (рис. 1, б). При этом концевые фрезы изготавливают или заодно с цилиндрическим хвостовиком, или в виде коронок и вставок, соединяемых пайкой со стальным хвостовиком.

Рис. 2. Цилиндрическая фреза, оснащенная напайными винтовыми твердосплавными пластинами.

В настоящее время в конструкциях фрез средних и крупных размеров способ пайки твердосплавных пластин на корпусы инструментов используется в том случае, когда режущие пластины имеют фасонную форму. Так, например, на рис. 2, а показана цилиндрическая фреза напайными винтовыми пластинами, которые удается изготавливать только небольшой длины. Каждый зуб представляет собой набор из таких пластин, а их стыки оформлены в виде стружколомающих канавок. Основным недостатком такой фрезы является необходимость повторной пайки и заточки всех зубьев в случае поломки хотя бы одной из пластин. С винтовыми напайными пластинами изготавливаются также концевые фрезы с небольшой длиной рабочей части.

Цилиндрические фрезы в силу специфики их конструкций и условий резания значительно реже по сравнению с торцевыми оснащаются твердосплавными СМП.

Торцевые фрезы допускают большее разнообразие способов крепления многогранных пластин, и поэтому в настоящее время освоен выпуск огромного числа различных типов таких фрез, наиболее сложные из которых позволяют производить регулировку положения пластин в корпусе с целью получения минимального радиального и торцевого биений режущих кромок.

Анализ современных конструкций торцевых фрез показывает, что основными направлениями в использовании СМП являются: 1) крепление пластин непосредственно на корпусе или его составных частях; 2) использование вкладышей с двумя-тремя базами под пластины; 3) использование механизма регулирования положения режущих кромок пластин относительно оси вращения фрезы.

При этом широко применяются пластины трех-, четырехгранные, в форме параллелограмма, реже круглые и пятигранные, негативные и позитивные по геометрическим параметрам, с отверстиями для крепления или без них. Крепление пластин осуществляется винтами или рычагами через отверстие, а также клиньями, прижимающими пластину к гнезду в корпусе или во вкладыше. Рассмотрим на отдельных примерах реализацию указанных выше направлений.

На рис. 3, а приведена фреза с креплением пластин 2 в гнездах корпуса 1. Крепление осуществляется винтами 3 с конической головкой. Для предохранения корпуса от повреждений при поломке пластин часто используют подкладки 4 из твердого сплава или закаленной стали, имеющие форму, подобную форме режущих пластин. Фрезы такого типа наиболее просты по конструкции, компактны, имеют минимальное число деталей, но корпусы этих фрез сложны в изготовлении. Серьезными недостатками этих фрез являются: опасность механического повреждения корпусов в процессе эксплуатации и повышенное биение режущих кромок, вызываемое погрешностями изготовления гнезд под пластины.

Иногда с целью упрощения технологии изготовления фрез и повышения точности положения режущих кромок базы под пластины создают на составных частях корпуса. Примером таких фрез является представленная на рис. 3, б фреза фирмы «Clarkson» (Англия). Она состоит из корпуса 1 и опорного кольца 3, на каждом из которых имеется одна база под пластины 2. При этом пластины крепят клином 4 с дифференциальным винтом 5, который ввертывается не в корпус фрезы, а в специальный вкладыш 6.

Рис. 3. Торцевые фрезы, оснащенные СМП: а — базы под пластины в корпусе фрезы; б — базы под пластины на составных частях корпуса; в — с вкладышами и двумя базами; г — с вкладышами (кассетами) и тремя базами во вкладышах; д — с вкладышами, регулируемыми винтом; е — с вкладышами, регулируемыми клином; ж — с тангенциальным креплением пластин; з — со ступенчатым расположением пластин

Использование вкладышей для крепления пластин показано также на рис. 3, в на примере фрезы фирмы «Widia Krupp» (Германия). Здесь режущие пластины 2 крепятся во вкладышах 5, устанавливаемых в пазах корпуса 1 и закрепляемых винтами 6. Вылет вкладышей вдоль оси задан точно благодаря тому, что они упираются в стенку кольцевого паза корпуса, получаемого точением напроход. Режущие пластины 2 опираются на дно гнезда во вкладыше, а в радиальном направлении — на корпус фрезы. Крепление пластин производится клином 3 и винтом 4. Под режущие пластины устанавливаются предохранительные пластины 7, закрепляемые винтами. Таким образом, корпус получается технологичным, а крепление обеспечивает малое биение режущих кромок. Использование вкладышей также позволяет избегать повреждения дорогостоящего корпуса при поломке пластин и осуществлять их быструю замену. В этой конструкции использованы вкладыши с двумя базами под пластины: по опорной плоскости и одной грани пластины.

Созданы также конструкции фрез с базированием пластин во вкладыше по трем плоскостям. Примером таких фрез являются фрезы фирмы «Sandvik Coromant» (Швеция) (рис. 3, г). Здесь вкладыши (кассеты) 5 в осевом направлении упираются в стенку кольцевого паза и крепятся в корпусе 1 винтом 6. Режущие пластины 2 прижимаются клином 3 с помощью винта 4. При этом в одном и том же корпусе фрезы могут устанавливаться вкладыши с гнездами под различные формы и размеры режущих пластин, в том числе из разных инструментальных материалов, что упрощает ведение инструментального хозяйства. Такой метод конструирования фрез получил название модульно-кассетного. Его особенно выгодно использовать в условиях гибкого автоматизированного производства, характеризуемого быстрой сменностью номенклатуры изделий и требующего особой мобильности в обеспечении инструментальной оснасткой.

Для обеспечения высокой точности расположения режущих кромок относительно оси вращения фрезы создан ряд конструкций фрез с регулировкой в осевом направлении положения вкладышей в пазах корпуса с помощью винтов или клиньев, в результате чего удается довести торцевое биение до 0,005 мм. При этом в зависимости от диаметра фрезы радиальное биение составляет 0,05…0,10 мм, что достигается за счет высокой точности исполнения корпусов фрез, кассет и использования прецизионных пластин. Примером таких инструментов может служить фреза фирмы «Walter» (Германия), представленная на рис. 3, д. Здесь вкладыши 2, установленные в пазах корпуса 1 крепятся винтами 5. Режущие трехгранные пластины 3 крепят винтами 4 через их центральные отверстия. В случае применения этих фрез для чистовой обработки используют регулировочный винт 6, ось цилиндрической части которого смещена относительно оси конического отверстия в корпусе. За счет этого при вращении винта 6 происходит перемещение вкладыша вдоль паза корпуса и тем самым регулируется положение режущих кромок пластин в осевом и радиальном направлениях.

Простой способ регулировки положений вкладышей с помощью клиньев показан на примере фрезы фирмы «Sandvik Coromant» (Швеция) (рис. 3, е). Здесь крепление пластин 2 осуществляется прижатием клина 3 винтом 4, а крепление вкладыша к корпусу 1 — винтом 7. Смещение вкладыша вдоль оси фрезы регулируется с помощью винта 6 и клина 5.

Рассмотрим еще две разновидности торцевых фрез, оснащенных СМП: с тангенциальным (рис. 3, ж) и ступенчатым расположениями пластин (рис. 3, з).

Фрезы с тангенциальным по отношению к корпусу расположением пластин впервые были предложены фирмой «Hertel» (Германия). За счет такого расположения пластин резко увеличивается их прочность при ударной нагрузке. При этом крепление пластин 2 с отверстием производится винтом 3 через изогнутый в виде рычага штифт. Для базирования пластин 2 используют вкладыши 4 и 5. Первый вкладыш фиксируют в гнезде корпуса 1 штифтом 6, а второй, регулируемый в осевом направлении, винтом 7. Такие фрезы позволяют значительно увеличить подачу, а следовательно, и производительность, но из-за уменьшенной длины режущих кромок они пригодны только для снятия небольших припусков.

Таким же недостатком обладают и другие вышеприведенные конструкции фрез, за исключением фрез, оснащенных пластинами в форме параллелограмма, наибольшая сторона которого выступает в качестве главной режущей кромки.

Для фрезерования заготовок с большими припусками рекомендуются фрезы со ступенчатым вдоль оси расположением пластин, которое, как показала практика, обеспечивает хорошее деление припуска по ширине и безвибрационную работу инструмента, что особенно важно для фрез, оснащенных твердым сплавом. На рис. 3, з показана двухступенчатая фреза конструкции ВНИИинструмент, которая отличается тем, что у нее режущие пластины 4 и 5 расположены на разных уровнях от торца. Пластины опираются на кольцо 3 с пазами и внешней конической ступенчатой формой, которое крепится винтами 6 на корпусе 2, имеющем такие же пазы. Таким образом, сменные пластины 4 и 5 оказываются смещенными в радиальном и осевом направлениях. Пластины прижимаются к пазам в корпусе 2 и кольце 3 с помощью винтов 7, ввертываемых в державки 8, на которые они устанавливаются с посадкой на штифты. Винты 7 опираются на кольцо 1, напрессованное на корпус 2.

Концевые и дисковые фрезы труднее всего поддаются оснащению механически закрепляемыми пластинами в силу их конструктивных особенностей и условий резания. Тем не менее в настоящее время такие фрезы выпускают все в больших объемах. Некоторые из конструкций этих фрез приведены на рис. 4 и рис. 5.

Рис. 4. Концевые фрезы, оснащенные СМП:
*а —* двузубая; *б —* трехзубая; в — для обработки глубоких пазов; г — для копировальных работ

Из-за малых диаметров концевых фрез и малой ширины среза у дисковых фрез базы под пластины выполняются непосредственно в корпусах инструментов. Крепление режущих пластин осуществляется винтами через отверстия, клиньями и прихватами сверху или упругими деформируемыми элементами (у пластин без отверстия). Формы режущих пластин — треугольные, квадратные, круглые, ромбические, прямоугольные или специальные, разработанные только для таких инструментов. Число режущих пластин определяется конструктивными размерами инструментов. Так, например, у концевых фрез d < 12 мм z = 1, а d = 12…40 мм — z=2…4. Для лучшего дробления стружки и создания положительных передних углов рекомендуется использовать позитивные или негативные пластины со стружкодробящими канавками на передней грани.

На рис. 4, а, б приведены двузубая и трехзубая концевые фрезы фирмы «Sandvik Coromant» (Швеция), оснащенные позитивными (α = 11°) прямоугольными пластинами, применяемые для обработки уступов, пазов и выемок.

На рис. 4, в показана концевая фреза d = 20…50 мм для обработки глубоких пазов или высоких уступов длиной до 70 мм с креплением пластин винтами в гнездах, расположенных по винтовой линии. На рис. 4, г показана фреза для копировальных работ, применяемая при обработке фасонных выемок в пресс-формах, оснащенная специальными пластинами радиусной формы.

Хвостовики концевых фрез могут быть цилиндрическими, коническими или специальными короткими цилиндрическими. На станках с ЧПУ эти фрезы закрепляются в специальных патронах.

Дисковые фрезы, оснащенные твердосплавными пластинами, до недавнего времени применяли обычно в напайном варианте. Однако вследствие сложности заточки и особенно из-за отпаивания режущих пластин при нагреве (особенно на трехсторонних фрезах) все большее распространение получают фрезы с механическим креплением СМП. В конструкциях этих фрез в основном использованы те же способы и элементы крепления, что и в конструкциях торцевых фрез. Однако здесь возникают дополнительные трудности, связанные с необходимостью размещения элементов крепления в узких корпусах фрез. У трехсторонних фрез необходимо также обеспечить надежный стружкоотвод и положительные передние углы на торцевых режущих кромках.

Одним из вариантов решения этой задачи является конструкция фрезы фирмы «Heinlein» (Германия), представленная на рис. 5, а. Здесь трехгранные (без отверстия) пластины 2 крепятся в корпусе 1 с помощью клиньев 3 и винтов 4, а также колец 5 и винтов 6. В свою очередь, кольца крепятся на ступице корпуса 1 и служат одной из баз под режущие пластины. Другой базой являются открытые пазы в корпусе фрезы с разным направлением наклона к оси смежных зубьев (типа «зигзаг»), обеспечивающим положительные передние углы на торцевых режущих кромках. Клинья 3 фрезы, крепящие пластины, расположенные за режущими пластинами 2, предохраняют корпус от повреждений при поломке пластин и увеличивают пространство для размещения стружки. К недостаткам таких фрез следует отнести большое число сопрягаемых деталей, требующих точного исполнения.

Рис. 5. Дисковые фрезы, оснащенные СМП:
а — трехсторонняя с «открытыми» базами под пластины; б — трехсторонняя с базированием пластин во вкладышах; в — с креплением пластин и вкладышей винтами; г — с тангенциальным креплением пластин; д — со специальными пластинами для отрезных работ (слева показана схема снятия пластины)

Выпускают также фрезы с вкладышами, имеющими две или три базы для крепления пластин. На рис. 5, б схематично показано крепление трехгранных пластин 2 во вкладышах 5 клиньями 3 и винтами 4. Вкладыши 5 имеют V-образные пазы под пластины и располагаются со стороны передней поверхности пластин 2. Они крепятся в корпусе 1 винтами 6. У таких фрез вкладыши сменные, корпус хорошо предохраняется от повреждений, обеспечивается нормальный стружкоотвод, но они могут успешно применяться только при относительно небольших глубинах резания.

Более технологичное, компактное и надежное крепление пластин 2 достигается винтами с конической головкой через отверстие к вкладышу 3, а крепление вкладыша в корпусе 1 осуществляется с помощью клина 4 и винта 5. Для предохранения вкладышей от смещения при больших нагрузках и регулировке по высоте на их опорных поверхностях и в гнездах создают рифления (рис. 5, в).

При обработке резанием пазов небольшой ширины (В = 5…10 мм) и большой глубиной реза (h = 18…84 мм) фирмой «Sandvik Coromant» (Швеция) разработаны дисковые фрезы диаметром d = 80…250 мм с непосредственным креплением специальных пластин винтами с двух сторон корпуса (рис. 5, г). Эти пластины имеют положительные передние углы. При тангенциальном креплении они обладают наибольшей прочностью, а при наличии четырех режущих кромок — большей стойкостью.

Для отрезных работ с В = 2…6 мм, h = 17…87 мм этой же фирмой созданы фрезы диаметром 80…315 мм (рис. 5, д) со вставными пластинами специальной формы, разработанными для отрезных резцов. Крепление пластин в корпусе осуществляется за счет упругих деформаций стенок пазов и сил трения при установке их в клинообразных пазах.

Замена пластин при поломках или выкрашивании производится с помощью специального ключа (рис. 5, д). Специальная форма передней грани пластин обеспечивает хорошее дробление стружки, наименьшие силы резания и высокую надежность фрез.

Рис. 6. Схемы фрез, оснащенных СМП, для обработки фасонных поверхностей.

В последнее время многогранные пластины с механическим креплением применяются даже при конструировании фасонных фрез. На рис. 6 схематично показаны примеры оснащения насадных фасонных фрез наборами пластин с закреплением их винтами на корпусе, применяемых для обработки самых различных фасонных профилей. Корпусы таких фрез с гнездами под пластины весьма сложны в изготовлении. Успешное решение этой задачи стало возможным благодаря использованию многооперационных станков с ЧПУ.

Цилиндрические и дисковые фрезы.

Особенностью конструкций этих фрез является расположение главных режущих кромок на цилиндре, ось которого совпадает с осью вращения инструмента, параллельной обрабатываемой поверхности. У цилиндрических фрез нет вспомогательных режущих кромок, и они работают в условиях свободного резания. Зубья дисковых фрез, наоборот, на одном или обоих торцах снабжены вспомогательными режущими кромками. Причем, в отличие от цилиндрических фрез, их диаметр значительно больше длины фрезы. Оба типа фрез, как правило, насадные, с отверстием и шпоночными пазами для крепления на оправках.

Для снижения колебаний сил резания и вибраций зубья цилиндрических фрез часто делают винтовыми. При этом возникает нежелательная осевая составляющая силы резания. Однако условия отвода стружки из зоны резания фрез с винтовыми зубьями значительно лучше, чем фрез с прямыми зубьями.

Из теории резания металлов известно, что при наличии винтовых зубьев можно обеспечить равномерное фрезерование, если будет выдержано соотношение

B /P_x = C ,

где В — ширина фрезерования; Р_х — осевой шаг между зубьями, P_x = πd/z tgω ; С — заданное целое число; d — диаметр фрезы; z — число зубьев фрезы; ω — угол наклона зубьев к оси фрезы.

Из уравнения следует, что для обеспечения более равномерной работы фрезы, снижения вибраций и шероховатости обработанной поверхности при выборе фрезы желательно брать такую конструкцию, у которой число зубьев будет совпадать или максимально приближаться к расчетному значению, найденному на основании уравнения:

z = Cπd tgω/B

На практике, когда конструктору неизвестны условия работы фрезы, руководствуются следующей эмпирической формулой, полученной из опыта эксплуатации цилиндрических фрез:

где m — коэффициент, зависящий от конструкции фрезы и условий ее работы (m=2 — для чистовых фрез с мелким зубом и ω = 15…20˚; m = 1,5 — для фрез с крупным зубом и ω до 30˚).

Фрезы с мелким зубом изготавливают диаметром 40…90 мм. При малом угле ω осевые усилия небольшие, форма зуба трапециевидная, углы γ = 15˚, α = 16˚.

Фрезы с крупным зубом имеют меньшее число зубьев. Угол ω у них может доходить до 45˚, форма зуба усиленная или параболическая с высотой H=(0,3…0,4)πd/z .

При обработке сталей средней твердости углы γ = 15…16˚, α =10…14˚. Из-за больших осевых усилий необходимо принимать меры для их устранения, например путем крепления на одной оправке сдвоенных составных фрез с разнонаправленными зубьями (рис. 1). При этом осевые усилия правой и левой фрез во время работы уравновешиваются.

Рис. 1. Сдвоенные цилиндрические фрезы с разнонаправленными зубьями.

Цилиндрические фрезы с крупным зубом предназначены для снятия больших припусков и особенно эффективны при обработке плоскостей большой площади. С целью экономии быстрорежущей стали фрезы больших диаметров делают сборными со вставными режущими зубьями, а корпусы фрез изготавливают из конструкционной стали.

Большое значение при конструировании фрез любого типа имеет правильное определение ее наружного диаметра. С увеличением этого диаметра можно увеличить число зубьев, а следовательно, и производительность процесса фрезерования, повысить жесткость крепления. Однако при этом возрастает крутящий момент и, следовательно, расход мощности при той же скорости резания, увеличивается время на врезание и перебег фрезы. Поэтому необходимо выбирать оптимальное значение диаметра фрезы.

Для сокращения номенклатуры фрез их наружные диаметры выбирают из ряда стандартных значений, числовая последовательность которых представляет собой геометрические прогрессии со знаменателями φ = 1,26 и 1,58, равными знаменателям частоты вращения шпинделей фрезерных станков. При смене фрез различных диаметров это позволяет обеспечить постоянство оптимальных скоростей резания за счет подбора соответствующего числа оборотов.

Стандартные цилиндрические фрезы диаметром 40…100 мм и длиной до 160 мм изготавливают цельными, а диаметром 100…250 мм, реже до 630 мм и длиной 45…100 мм — сборными со вставными зубьями.

Диаметр посадочного отверстия d_o выбирается, с одной стороны, таким, чтобы обеспечить необходимую толщину стенки корпуса фрезы, с учетом глубины шпоночного паза, позволяющей избежать появления трещин при термообработке. С другой стороны, диаметр d_o зависит от допустимой стрелы прогиба оправки, на которую насаживается фреза и которая не должна превышать δ = 0,4 мм при черновой и δ = 0,2 мм при чистовой обработках.

В расчетах оправку можно рассматривать как балку, защемленную на концах. Диаметр фрезы можно рассчитать по формуле, учитывающей влияние радиальной нагрузки (через В, t, s_z) длины ℓ фрезы и допустимого δ прогиба оправки. Так, например, при обработке стали диаметр фрезы равен

d = 0,2B^0,26t^0,09s_z^0,06ℓ^0,78δ^-0,26

При этом диаметр отверстия под оправку принимается из соотношения

d_o = (0,3…0,4)d

Дисковые фрезы, в отличие от цилиндрических фрез, предназначены для обработки узких поверхностей, прорезки пазов, подрезки уступов, отрезки заготовок и т.д. Они работают в более тяжелых условиях несвободного резания, часто сопровождаемого вибрациями из-за низкой поперечной жесткости корпусов фрез и неблагоприятных условий отвода стружки из зоны резания.

Различают следующие виды дисковых фрез: двух- и трехстороннего резания, пазовые, прорезные и отрезные (пилы).

У дисковых двухсторонних фрез режущие кромки зубьев имеются на цилиндрической и одной торцевой поверхностях (рис. 2, а), а у трехсторонних — на обоих торцах (рис. 2, б). Эти фрезы могут обрабатывать соответственно две или три взаимно перпендикулярные поверхности в пазах и уступах. Они изготавливаются с мелкими зубьями для чистовой обработки и с крупными зубьями — для черновой обработки.

Последние характеризуются удалением больших объемов металла из глубоких пазов, выемок, поэтому они имеют большой объем стружечных канавок. Зубья у этих фрез при малой ширине режущих кромок или прямые, или наклонные к оси. Причем последние обеспечивают более равномерное фрезерование, имеют благоприятную геометрию торцевых зубьев и лучшее удаление стружки.

Рис. 2. Виды дисковых фрез: *а —* двухсторонняя; *б —* трехсторонняя; *в —* трехсторонняя с разнонаправленными вставными зубьями; г — пазовая

Трехсторонние фрезы изготавливают с разнонаправленными зубьями (фрезы «зигзаг»), что позволяет создать на торцевых режущих кромках положительные передние углы γ_т > 0 (рис. 2, в). При переточках ширина такой фрезы уменьшается, поэтому используют также сдвоенные фрезы, состоящие из двух половинок, между которыми закладывают мерное кольцо. Цельные фрезы изготавливают диаметром d = 63…125 мм и шириной B = 6…28 мм, а сборные со вставными ножами d=75…200 мм и В = 12…60 мм. Такие ножи изготавливают из быстрорежущей стали с креплением в клиновидных пазах с помощью рифлений (рис. 3, б).

Пазовые фрезы (рис. 2, г) предназначены для фрезерования пазов, точных по ширине. Внешне они подобны дисковым трехсторонним фрезам, но имеют меньшую длину главных режущих кромок с геометрическими параметрами зубьев: γ = 10…15°, α = 20°. Вспомогательные режущие кромки на торцах получают заточкой с углом в плане φ₁ =1…2°. Стружечные канавки у них нарезают только на цилиндрической части. Пазовые фрезы изготавливают диаметром 50…100 мм и шириной 3…16 мм. Иногда, чтобы при переточках сохранить постоянство ширины паза В, их изготавливают с затылованными зубьями.

Угловые и фасонные фрезы.

Угловые и фасонные фрезы с остроконечным зубом по способу обработки подобны дисковым фрезам. Они изготавливаются, как правило, цельными, насадными, а фрезы небольших диаметров иногда имеют хвостовики.

Главные режущие кромки у одноугловых фрез расположены на поверхности усеченного конуса, а у двухугловых — на поверхности двух смежных конусов. Эти фрезы используются в основном как инструменты второго порядка для нарезания канавок у многозубых инструментов, например фрез, разверток и др., а также для обработки различных пазов, скосов и наклонных поверхностей.

Диаметр фрез выбирается исходя из глубины фрезерования и диаметра оправки. Число зубьев рассчитывается по эмпирической зависимости

При этом большее значение коэффициента берется для фрез меньших диаметров.

При работе одноугловых фрез возникает осевая составляющая силы резания, а у двухугловых она частично или полностью (при симметричном профиле) уравновешивается. Благодаря этому двухугловые фрезы обеспечивают более высокое качество обработанной поверхности, чем одноугловые фрезы. Угол конуса у одноугловых фрез принимается равным θ = 18…30°, а у двухугловых — θ₁=55…110° (через 5°) и θ₂ = 15…25°. При этом у одноугловых фрез зубья на торце затачивают с небольшим углом поднутрения φ₁ = 2…3°.

Фасонные фрезы представляют собой тела вращения, на наружной поверхности которых располагаются зубья с самыми различными по форме режущими кромками. Они работают так же, как дисковые и угловые фрезы, и предназначены для фрезерования выпуклых или вогнутых фасонных наружных поверхностей, а также прямых или винтовых канавок.

Рис. 1. Схема заточки фасонной фрезы с остроконечными зубьями.

При переточке по задней поверхности фасонных фрез с остроконечными зубьями трудно обеспечить идентичность формы режущих кромок, поэтому требуются специальные копировальные устройства, обеспечивающие необходимую траекторию шлифовального круга. Такая заточка очень трудоемка, в связи с этим фасонные фрезы обычно изготавливают с затылованными зубьями.

В случаях, когда фасонные режущие кромки имеют относительно простую конфигурацию, их изготавливают с остроконечными зубьями, учитывая высокую производительность таких фрез. При этом для переточки фрез с остроконечными зубьями используются специальные приспособления, работающие, например, по схеме, показанной на рис. 1. Здесь по опорной линейке обкатывается копир, жестко связанный с затачиваемой фрезой и имеющий форму, подобную профилю фрезы. При этом задний угол создается за счет превышения оси фрезы над осью круга на величину H = d /2sin α.

Торцевые и концевые фрезы.

У торцевых и концевых фрез (рис. 1, в, г) ось вращения расположена перпендикулярно к обрабатываемой поверхности. При этом, кроме главных режущих кромок, находящихся на цилиндрической поверхности, на торце фрезы имеются вспомогательные режущие кромки, расположенные под углом φ₁. Торцевые фрезы, как правило, изготавливают насадными, а когда их диаметр становится значительно меньше длины, то они переходят в группу концевых фрез. Торцевые фрезы широко используют при обработке плоских поверхностей, в том числе ступенчатых, которые невозможно обработать цилиндрическими фрезами. По сравнению с последними они имеют следующие преимущества:

конструкция торцевых фрез позволяет разместить большее число зубьев на длине контакта с заготовкой, что обеспечивает большую производительность и более равномерное фрезерование. При этом угол контакта не зависит от толщины срезаемого слоя;
торцевые фрезы можно изготавливать с жесткими, массивными корпусами, с надежным механическим креплением режущих элементов, например в виде СМП из твердого сплава и СТМ;
при фрезеровании плоскостей можно получать более низкую шероховатость за счет большого числа вспомогательных режущих кромок на торце фрезы и при наличии зачистных зубьев с φ₁ = 0.

Рис. 1. Типы фрез:
а — цилиндрическая; б — дисковая; в — торцевая; г — концевые; д — угловые; е — фасонная

Благодаря этим достоинствам торцевые фрезы по сравнению с другими типами фрез нашли наибольшее применение в металлообработке.

Главные режущие кромки торцевых и концевых фрез могут быть прямолинейными, но чаще всего они наклонные или винтовые (ω =10…15°- у торцевых и ω = 20…45° — у концевых фрез). Благодаря этому обеспечивается лучший отвод стружки из зоны резания и более равномерная работа фрезы. Кроме того, из-за угла ω наклона зубьев к оси фрезы создаются положительные передние углы на торцевых режущих кромках.

Главный угол в плане φ у торцевых фрез можно изменять в широких пределах — от 90° и ниже. Для повышения стойкости и производительности обработки угол φ уменьшают до 45…60° и даже до 10…20°. Такие фрезы называют торцево-коническими, так как главные режущие кромки у них находятся на конической поверхности (рис. 2). Стойкость и производительность таких фрез повышается за счет уменьшения толщины среза при заданной подаче на зуб. Однако при уменьшении угла φ до 10° резко возрастает осевая составляющая силы резания, отталкивающая фрезу от заготовки, в результате чего фрезерование оказывается возможным только на очень жестких станках.

Рис. 2. Торцево-коническая сборная фреза.

Шероховатость поверхности при торцевом фрезеровании в основном зависит от вспомогательного угла в плане φ₁. Из-за неизбежного биения торцевых режущих кромок на поверхности остаются микронеровности, особенно заметные при обработке хрупких материалов, например чугунов. С целью снижения шероховатости у торцевых фрез обычно предусматривают заточку одного или двух зачистных зубьев с углом φ₁ = 0 и длиной кромки ℓ = (4…6)s, где s — подача на один оборот фрезы (s = s_z • z). На остальных зубьях угол φ₁ = 2…3°. При обработке сталей на зачистных зубьях этот угол берут равным φ₁ = 6…12′.

Стандартные цельные торцевые фрезы из быстрорежущей стали диаметром 40…100 мм и длиной 32…50 мм изготавливают с мелкими зубьями, число которых равно z ≈1,8√d. Зубья винтовые с углом наклона к оси ω = 25…40°. Диаметр фрезы назначается с учетом ширины и вида фрезерования (симметричное, боковое и т.п.). Так, при симметричном фрезеровании плоскостей рекомендуется использовать фрезы диаметром d = 1,2B, где В — ширина обрабатываемой поверхности.

Передний угол γ на главных режущих кромках назначается с учетом свойств обрабатываемых материалов. При этом на торцевых режущих кромках передний угол на 3…5° меньше, чем на цилиндрической части. Задние углы в сечении, перпендикулярном к оси фрезы, равны α = 12…14°, на торцевых кромках α₁=8…10°.

Торцевые фрезы больших диаметров (d = 100…1000 мм и более) чаще всего изготавливают сборными, оснащенными СМП. Реже применяются такие фрезы со вставными ножами из быстрорежущей стали и совсем редко с ножами, оснащенными эльбором. Последние используют для чистовой обработки высокопрочных чугунов и закаленных сталей.

При проектировании сборных фрез в их корпусах стремятся разместить как можно большее число зубьев. Однако оно ограничивается необходимостью размещения элементов их крепления. В любом случае на длине контакта с заготовкой должно быть не менее двух зубьев, т.е.

Если принять d = (1,4…1,6)В, то минимальное число зубьев фрезы равно z_min=8…10.

Концевые фрезы применяются для обработки пазов, уступов с взаимно перпендикулярными поверхностями и для контурной обработки заготовок. Главные режущие кромки, выполняющие основную работу по удалению припуска, как и у торцевых фрез, расположены на цилиндрической поверхности, а вспомогательные (зачищающие) — на торце. Зубья изготавливают обычно винтовыми, с углом наклона к оси, доходящим до ω = 30…45°. Такое большое значение угла ω при наличии больших по объему стружечных канавок обеспечивает надежный отвод стружки из зоны резания даже при весьма стесненных условиях резания. По этой причине число режущих зубьев у концевых фрез значительно меньше, чем у торцевых фрез. Однако при этом снижение производительности компенсируется за счет увеличения подачи на зуб.

На рис. 3, а приведены трехзубая стандартная концевая фреза и ее геометрические параметры. Хвостовики таких фрез либо цилиндрические (d = 3…20 мм), либо конические с конусом Морзе (d = 14…63 мм). У фрез больших диаметров используются хвостовики с конусом 7:24. Крепление фрез в шпинделе станка при цилиндрическом хвостовике производится с помощью цанговых патронов, а при коническом хвостовике, имеющем внутреннюю резьбу, — штревелем (натяжным болтом), проходящим через полый шпиндель станка.

Разновидностью концевых фрез являются шпоночные фрезы и фрезы для обработки Т-образных пазов, нашедших широкое применение в столах станков и корпусах станочных приспособлений.

Шпоночные фрезы (рис. 3, б, в) имеют два зуба с глубокими прямыми или наклонными (ω = 12…15°) стружечными канавками и длиной рабочей части, равной примерно трем диаметрам фрезы. При этом диаметр сердцевины фрезы увеличен до 0,35d, благодаря чему обеспечивается максимальная жесткость инструмента.

Особенность условий работы шпоночных фрез заключается в том, что шпоночный паз они обрабатывают за несколько проходов. В конце каждого прохода производится врезание на глубину паза путем вертикальной подачи вдоль оси фрезы. Эту работу выполняют режущие кромки, расположенные на торце фрезы, заточенные с углом поднутрения φ₁ = 5° по конусу с вершиной, направленной в сторону хвостовика и с задним углом α₁ = 20°. Чтобы избежать при этом значительного увеличения осевой составляющей силы резания, у быстрорежущих фрез делают подточку поперечной кромки, как у сверл. У шпоночных фрез с напайными твердосплавными пластинами (рис. 3, в) одна из пластин доходит до центра, а другая делается короче и отстоит от центра на некотором расстоянии. Благодаря этому значительно упрощается технология изготовления фрезы и улучшается процесс резания.

Рис. 3. Фрезы концевые: *а —* стандартная концевая фреза; *б —* шпоночная фреза из быстрорежущей стали; в — шпоночная фреза с напайными твердосплавными пластинами; г — фреза для обработки Т-образных пазов

Переточка шпоночных фрез производится по задним поверхностям торцевых кромок. При этом диаметр фрезы сохраняется неизменным, что необходимо для обеспечения постоянства размера паза.

Фрезы для обработки Т-образных пазов (рис. 3, г) работают в тяжелых условиях и часто ломаются из-за пакетирования стружки. Для улучшения ее отвода такие фрезы делают с разнонаправленными зубьями и с углом поднутрения на торцах, равным φ₁ = 1…2°.