Фрезерование: всестороннее введение
Определение и фундаментальные принципы
Фрезерование — это процесс обработки, в котором используются вращающиеся фрезы для удаления материала с заготовки путем продвижения фрезы в заготовку. Это можно делать в разных направлениях по одной или нескольким осям, скорости режущей головки и давлению. В отличие от токарной обработки, при которой заготовка вращается против неподвижного режущего инструмента, при фрезеровании используется вращающийся многоточечный режущий инструмент, который перемещается относительно неподвижной или медленно продвигающейся заготовки.
Основной механизм удаления материала включает в себя сдвиговое действие: при вращении фрезы отдельные режущие кромки периодически зацепляются за заготовку, образуя стружку различной толщины в зависимости от скорости подачи, диаметра фрезы и количества зубьев. Прерывистый характер резания отличает фрезерование от процессов непрерывного резания и существенно влияет на характер износа инструмента, качество поверхности и динамику обработки.
Классификация фрезерных операций
1. По кинематической конфигурации
表格
| Тип | Описание | Типичные применения |
|---|---|---|
| Периферийное фрезерование(обычное фрезерование) | Режущие кромки по периферии фрезы удаляют материал. | Пазы, пазы, профили, фасонная резка |
| Торцевое фрезерование | Режущие кромки на торце (торце) фрезы выполняют первичную резку. | Плоские поверхности, квадратные блоки, удаление материала с большой площади |
| Концевое фрезерование | Фреза имеет режущие кромки как на конце, так и на периферии. | Контурирование, профилирование, карманирование, врезание |
| Профильное фрезерование | Фрезы или траектория, управляемая-ЧПУ, по определенному контуру | Сложные 2D/3D формы, штампы, пресс-формы |
2. По направлению подачи относительно вращения фрезы.
Обычное фрезерование (вверх): Заготовка подается против направления вращения фрезы. Толщина стружки начинается с нуля и увеличивается до максимальной. Фреза стремится приподнять заготовку, требующую жесткого зажима. Исторически предпочтительнее для старых машин с ходовыми винтами,-склонными к люфту.
Попутное фрезерование (попутное фрезерование): Заготовка подается в том же направлении, что и вращение фрезы. Толщина стружки начинается с максимальной и уменьшается до нуля. Обеспечивает лучшее качество поверхности, меньшие силы резания и снижение износа инструмента. В современных станках с ЧПУ преимущественно используется попутное фрезерование из-за устранения люфта за счет ШВП и сервоуправления.
3. По конфигурации машины
Горизонтальное фрезерование: Ось шпинделя горизонтальна; фрезы-навесные; отлично подходит для удаления тяжелых материалов и долбежки
Вертикальное фрезерование: Ось шпинделя вертикальная; концевые фрезы и торцевые фрезы; универсальный для торцевого фрезерования, сверления и профилирования
Универсальное фрезерование: Поворотная головка позволяет осуществлять как горизонтальную, так и вертикальную ориентацию.
обрабатывающие центры с ЧПУ: 3-осные, 4-осевые и 5-осевые конфигурации, обеспечивающие сложную одновременную многоосную интерполяцию
Ключевые параметры процесса
表格
| Параметр | Символ | Описание | Влияние на процесс |
|---|---|---|---|
| Скорость резки | ВК | Скорость резания на периферии фрезы (м/мин или фут/мин) | Стойкость инструмента, тепловыделение, целостность поверхности |
| Скорость подачи | Вф | Скорость подачи стола или заготовки (мм/мин или дюйм/мин) | Производительность, стружкообразование, шероховатость поверхности |
| Подача на зуб | фз | Поступательное движение на зуб фрезы за оборот (мм/зуб) | Толщина стружки, сила резания на зуб, распределение нагрузки на инструмент |
| Глубина резания | ап | Осевое зацепление фрезы (мм) | Скорость съема материала, отклонение инструмента, потребляемая мощность шпинделя |
| Ширина реза | ае | Радиальное зацепление фрезы (мм) | Эффекты утончения стружки, угол контакта инструмента |
Эти параметры связаны между собой фундаментальными отношениями:
Скорость шпинделя (n): n=(Vc × 1000) / (π × D) [об/мин], где D — диаметр фрезы
Скорость подачи: Vf=fz × z × n [мм/мин], где z — количество зубьев
Режущие инструменты для фрезерования
1. Инструментальные материалы
表格
| Материал | Характеристики | Типичные применения |
|---|---|---|
| Быстрорежущая-сталь (HSS) | Прочный, недорогой, средней твердости. | Низкоскоростные-операции, резцы сложной формы, прототипы |
| Цементированный карбид | Высокая твердость, термостойкость, хрупкость | Общее-фрезерование, высокоскоростная-обработка |
| Твердый сплав с покрытием | Повышенная износостойкость, снижение трения. | Высокопроизводительное-фрезерование трудно-режущих-материалов |
| Керамика | Чрезвычайная твердость, химическая стабильность при высоких температурах. | Закаленные стали, чугун, высокоскоростная-чистовая обработка |
| Кубический нитрид бора (CBN) | Второй-материал по твердости, термическая стабильность. | Hardened ferrous materials (>45HRC) |
| Поликристаллический алмаз (PCD) | Высочайшая твердость, низкое трение | Цветные-черные металлы, композиты, абразивные материалы |
2. Геометрия фрезы
Угол спирали: Влияет на направление силы резания, удаление стружки и качество поверхности. Большие углы спирали (45–60 градусов) снижают вибрацию и улучшают качество поверхности, но увеличивают осевые силы.
Передний угол: Влияет на стружкообразование, силы резания и прочность кромки. Положительные передние углы уменьшают силы, но ослабляют кромку; отрицательные передние углы укрепляют кромку, но увеличивают силы и нагрев.
Угловой радиус: Определяет локализованную концентрацию напряжений; больший радиус увеличивает срок службы инструмента, но снижает достижимую остроту углов.
Количество флейт: Меньшее количество канавок обеспечивает большие карманы для стружки для черновой обработки и лучший отвод стружки при обработке мягких материалов; Чем больше канавок, тем выше производительность при обработке твердых материалов.
Материалы заготовок и обрабатываемость
表格
| Категория материала | Проблемы обрабатываемости | Рекомендуемые стратегии |
|---|---|---|
| Алюминиевые сплавы | Стружколая сварка (БУЭ), гуммирование | Полированные канавки, большие передние углы, высокие скорости, MQL или продувка воздухом |
| Углеродистые и легированные стали | Сбалансированная обрабатываемость; нагартование в некоторых классах | Стандартный твердосплавный инструмент; оптимизировать для конкретного класса |
| Нержавеющие стали | Нагартование, плохая теплопроводность, BUE | Острые кромки, положительный передний угол, попутное фрезерование, надежная СОЖ. |
| Титановые сплавы | Низкая теплопроводность, химическая активность, упругость-обратная связь | Низкие скорости, высокие подачи, жесткая установка, заливная СОЖ |
| Суперсплавы на основе никеля- | Экстремальная закалка, абразивные карбиды, высокие температуры резания | Твердый сплав с керамикой или покрытием, низкие скорости, по возможности прерывистое резание |
| Hardened steels (>45HRC) | Высокие силы резания, абразивный износ. | Фрезы из CBN или керамики, высокоскоростное-твердое фрезерование, трохоидальные траектории |
Расширенные стратегии фрезерования
1. Высокоскоростная-обработка (HSM)
Characterized by high cutting speeds, high feed rates, and shallow depths of cut. Benefits include reduced cutting forces, improved surface finish, and extended tool life through reduced heat transfer to the tool. Requires rigid machines with high spindle speeds (often >10 000 об/мин), динамическая балансировка и современное программное обеспечение CAM для плавных траекторий движения инструмента.
2. Высокоэффективное-фрезерование (HEM)/трохоидальное фрезерование
Использует небольшое радиальное зацепление (обычно 5–15% диаметра фрезы) с большой осевой глубиной и повышенной скоростью подачи. Инструмент поддерживает постоянную нагрузку на стружку, снижает выделение тепла и позволяет использовать всю-желобковую-длину канавок. Особенно эффективен для прорезания пазов и карманов в сложных материалах, где обычная полно-прорезь может привести к перегрузке инструмента.
3. Адаптивная очистка/динамическое фрезерование
CAM-создает траектории инструмента, которые автоматически регулируют скорость подачи и количество шагов для поддержания постоянной нагрузки на инструмент. Предотвращает перегрузку инструмента в углах и сложной геометрии, максимизируя скорость съема материала и одновременно защищая фрезу.
4. 5-Осевое одновременное фрезерование
Позволяет обрабатывать сложные-поверхности произвольной формы за один установ путем наклона инструмента относительно заготовки. Преимущества включают улучшенное качество поверхности благодаря оптимальной ориентации инструмента, доступ к функциям поднутрения и сокращение времени наладки. Критически важен для компонентов аэрокосмической промышленности, рабочих колес, лопаток турбин и полостей пресс-форм.
Вопросы качества
表格
| Атрибут качества | Факторы влияния | Методы управления |
|---|---|---|
| Точность размеров | Точность позиционирования станка, температурный дрейф, отклонение инструмента, деформация заготовки | В-технологическом измерении, температурная компенсация, модели прогнозирования износа инструмента |
| Шероховатость поверхности | Подача на зуб, геометрия фрезы, вибрация,-нарост на кромке | Оптимизированные параметры, гашение вибрации, соответствующие покрытия инструмента. |
| Целостность поверхности | Остаточные напряжения, микроструктурные изменения, образование белого слоя. | Контролируемые параметры резки, пост-обработка |
| Геометрические допуски | Точность станка, повторяемость приспособлений, точность траектории инструмента | Калибровка, поверка КИМ, статистический контроль процесса |
Экономические и экологические аспекты
Современные мукомольные предприятия все больше внимания уделяют устойчивости наряду с производительностью:
Минимальное количество смазки (MQL): Доставляет небольшое количество смазки непосредственно в зону резания, сокращая расход СОЖ более чем на 90% по сравнению с охлаждением потоком.
Сухая обработка: Полностью исключает использование охлаждающей жидкости там, где это позволяют материалы и технологический процесс, снижая воздействие на окружающую среду и затраты на утилизацию.
Восстановление инструмента: Переточка и повторное покрытие цельных твердосплавных концевых фрез продлевают срок службы инструмента и снижают затраты на инструмент.
Энергоэффективность: Оптимизированные параметры резки и режимы ожидания станка сокращают-потребление энергии на каждую деталь.
Краткое содержание
Фрезерование остается одним из наиболее универсальных и широко применяемых процессов удаления материала в производстве. Его способность изготавливать изделия сложной геометрии с высокой точностью из широкого спектра материалов делает его незаменимым в современной промышленности. Эволюция от ручных станков к сложным многоосевым обрабатывающим центрам с ЧПУ в сочетании с передовым программным обеспечением CAM, покрытиями режущего инструмента и системами мониторинга процесса продолжает расширять границы достижимого с точки зрения точности, эффективности и качества поверхности.
