Классификация фрез

Фреза представляет собой тело вращения, на образующей и торцах которой выполнены режущие зубья (у некоторых конструкций зубья могут быть выполнены только на образующей). Зубья могут составлять одно целое с корпусом фрезы или быть закреплены припаиванием, механически и т.д.

Фрезы применяются для предварительной или окончательной обработки плоскостей, фасонных, винтовых поверхностей, разрезки материалов. Точность обработки от 12-го до 9-го квалитетов (до 7-го), шероховатость Rа = 0,8...1,6 мкм. За один проход при фрезеровании снимается припуск до 5...8 мм, иногда до 12...20 мм.

Фрезы классифицируют по следующим признакам:

– конструкция режущих зубьев и способ их заточки – фрезы с острозаточенными зубьями, перетачиваемые по задней поверхности, и с затылованными зубьями, перетачиваемые по передней поверхности;

– форма и расположение зубьев относительно оси вращения инструмента – фрезы цилиндрические (рис. 1, а), торцовые (рис. 1, б), дисковые (рис. 1, в), прорезные и отрезные (рис. 1, г), концевые (рис. 1, д), угловые (рис. 1, е), фасонные (рис. 1, ж, з), шпоночные (рис. 1, и, к);

– направление зубьев к оси инструмента – фрезы прямозубые, винтовые, с наклонными зубьями;

– конструкция фрез – цельные (рис.2, 5), монолитные твердосплавные (рис. 10), сборные со вставными зубьями, в том числе или механически закрепленными режущими пластинами из твердого сплава или СТМ (рис. 6, 7). Пластины из инструментальных материалов либо непосредственно крепятся в корпусе (из стали 40Х, 50Х и др.), либо привариваются (твердосплавные – припаиваются) к ножам, которые крепятся в корпусе (рис. 6). Твердосплавные пластины круглой или многогранной формы крепятся непосредствен­но в корпусе (рис. 7), либо к державкам, закрепляемым в корпусе. Способы кре­пления твердосплавных пластин торцовых и дисковых фрез приведены [1,8];

– способ крепления на станке – фрезы насадные с отверстием под оправку и концевые с цилиндрическим или коническим хвостовиком.

Все фрезы имеют рабочую часть, снабженную режущими зубьями, и крепежно-присоединительную часть в виде хвостовика (рис. 9, 12, 13) или отверстия (рис. 2, 14, 15). Крутящий момент от станка передается либо через хвостовик, либо через продольный (рис. 2, 5) или торцовый шпоночный паз.

В настоящее время для получения высоких результатов по производительности процесса фрезерования и стойкости фрез разработаны конструкции фрез, оснащенных СМП, которые практически вытеснили ранее широко применяемые фрезы с напайными твердосплавными пластинами.

Рис. 1. Схемы фрезерования и типы фрез

ФРЕЗЫ С ОСТРОЗАТОЧЕННЫМИ ЗУБЬЯМИ

Цилиндрические фрезы. Цилиндрические фрезы (рис. 2) применяются для фрезерования открытых поверхностей. Они выпускаются в соответствии с ГОСТ 3752-71. Цилиндрические фрезы могут быть цельные, составные и сборные. Цельные фрезы изготовляются из быстрорежущих сталей. У составных фрез режущие зубья выполняют из быстрорежущей стали или оснащают твердосплавными пластинами, которые припаивают к стальному корпусу фрезы. Сборные фрезы изготовляют с механическим креплением сменных многогранных пластин (СМП).

Рис. 2. Фреза цилиндрическая с мелким зубом

Определение наружного диаметра и диаметра посадочного отверстия фрезы. Наружный диаметр D фрезы назначается конструктивно, исходя из формы и размеров обрабатываемой детали, глубины резания и ширины фрезерования, указания по шероховатости обработанной поверхности. От диаметра фрезы зависят отвод теплоты, толщина стружки, число и форма режущих зубьев и диаметр посадочного отверстия под оправку.

Учитывая изложенное, при конструировании фрез необходимо стремиться к выбору наименьшего их диаметра, при котором обеспечивается заданный режим резания, надежное закрепление фрезы на оправке.

Если наружный диаметр фрезы должен быть возможно малого размера, то диаметр оправки для увеличения жесткости крепления должен быть возможно большего размера.

Величина диаметра оправки может быть ориентировочно определена двумя способами:

1. Из условий прочности по формулам для сложного напряжения (изгиб и кручение).

2. По максимально допустимому прогибу оправки.

Существует определенная зависимость

,

где диаметр оправки, мм.

Выбранный наружный диаметр уточняется в соответствии с геометрическим рядом со знаменателем прогрессии, равным 1,26, до стандартных размеров D = 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 200, 250, 315, 400, 500, 630, 800 и 1000 мм.

В соответствии с выбранным диаметром фрезы определяются диаметр посадочного отверстия d с допуском по Н7, ширина шпоночного паза b с допуском по Е8, Е9 и его глубина, h с допуском по Н11 (табл. 1 и рис. 2). При этом шпоночный паз следует рассматривать как отверстие в системе вала, и в чертеже фрезы обозначать допуск с отклонением в "тело" детали, т.е. отклонение следует показать так: .

Таблица 1. Конструктивные параметры насадных фрез

D	d	b	h
мм
40...50	16	4	17,7
63	22	6	24,1
63	27	6	29,1
80...100	32	8	34,8
100...125	40	10	45,3
125...160	50	12	53,3
160...200	60	14	64,2

Определение числа зубьев фрезы. Число зубьев выбирается в зависимости от вида обработки. Для предварительного фрезерования применяют фрезы с малым числом и с крупными зубьями, для чистового – наоборот, с большим числом и мелкими зубьями. В первом случае зубья получаются массивными и прочными, а глубина и объем стружечных канавок достаточно большими. Это имеет важное значение при снятии больших припусков. Крупные зубья позволяют повышать величину подачи и производительность фрезерования. Они также допускают большее количество переточек и имеют более благоприятные условия для теплоотвода, поэтому стойкость таких фрез оказывается выше стойкости фрез с мелкими зубьями. Во втором случае увеличенное число зубьев способствует повышению равномерности фрезерования и снижению шероховатости обработанных поверхностей.

На практике число зубьев цельных фрез

,

где к  коэффициент, зависящий от условий работы к = 1,0...1,2  фрезы для черновой обработки; к =1,8...2,0  фрезы для чистовой обработки; к = 0,8  для сборных фрез.

Принятое число зубьев должно обеспечивать равномерность фрезерования. Условие равномерности фрезерования заключается в том, что в процессе фрезерования на дуге контакта фрезы с поверхностью детали должно находиться не менее двух зубьев.

Для прямозубых фрез число зубьев

, (1)

где  угол контакта между фрезой и поверхностью резания,

(2)

здесь t  глубина резания;

 коэффициент равномерности, равный или больший 2.

Для фрез с винтовым зубом

, (3)

где С  целое число: 1,2,3 и т.д.; b  ширина фрезерования, мм;   угол наклона зубьев.

Вычисленные по формулам (1) или (3) числа зубьев следует округлить до целых, желательно четных значений в пределах от 6…18 зубьев. В ряде случаев при малых значениях t и b добиться равномерности фрезерования невозможно, так как для этого требуются чрезмерно большие числа зубьев, которые невозможно реализовать в конструкции фрезы. Поэтому часто для снижения вибрации применяются фрезы с большими углами .

Определение угла наклона зубьев. Угол наклона стружечной канавки ω измеряется между каса­тельной к винтовой режущей кромке и осью фрезы. Этот угол способствует удалению из канавок срезанной стружки, повышает плавность и равномерность фрезерования, а также стойкость фрез. Направление винтовых зубьев фрез при правом вращении шпинделя должно быть правое, при левом вращении  левое. Для цилиндрических насадных фрез, предназначенных для обработки конструкционных материалов,  = 30...40°, а у предназначенных для обработки труднообрабатываемых материалов  = 45...60°. При проектировании специальных фрез можно для нахождения угла наклона зубьев использовать формулы 1,3.

Выбор формы и размеров зубьев и впадин канавки фрезы. Форма зубьев и впадин у фрез с острозаточенными зубьями определяется условиями обработки и имеет три вида профилей (рис. 3): одноугловая, двухугловая и криволинейная (параболическая). Стружечная канавка должна обеспечивать достаточный объем для размещения срезанной стружки (при достаточной прочности зуба), большое количество переточек, технологичность изготовления и т.д.

а б в

Рис. 3. Формы профиля зуба: а одноугловая;б  двухугловая; в  параболическая

Одноугловая (трапециевидная) форма (см. рис.3,a) предназначена для фрез с мелким зубом, в частности для фрез малого диаметра. Основное её достоинство  простота инструмента II порядка, который представляет собой обычную угловую фрезу. Канавки характеризуются следующими конструктивными элементами: углом стружечной канавки  (он нормирован в диапазоне 45...100° кратно 5°); углом зуба  (для обеспечения прочности зуба угол должен быть в пределах 47...52°); высотой зуба h; радиусом дна стружечной канавки r . Конструктивные элементы стружечной канавки следует рассмат­ривать в такой последовательности:

1. Определить угловой шаг зубьев  .

Для прямозубых фрез  .

Для фрез с винтовым зубом  .

2. Задаться значением угла зуба  = 45...50°.

3. По формуле

+  ,

определить угол стружечной канавки и округлить полученную величину кратно 5°.

4. Уточнить действительную величину угла зуба и убедиться, что уточненная величина укладывается в пределы 45...55°.

5. Рассчитать окружной шаг зубьев

.

6. Определить высоту зуба

.

7. Назначить радиус у дна канавки r= 0,5...2,0 мм.

В целях снижения вибраций угловой шаг зубьев рекомендуется выполнять неравномерным, т.е.   , где   величина неравномерности,  = 3º…6º в зависимости от числа зубьев.

Двухугловая форма (см. рис. 3, б) рекомендуется для фрез с крупным зубом, предназначенных для предварительной обработки. Отличие расчета фрезы с зубом двухугловой формы от предыдущего заключается в том, что , h = (0,3...0,45)P , r = (0,4...0,75) h ( определяются графически).

Криволинейная форма (см. рис. 3,в) рекомендуется для той же цели, что и предыдущая, но характеризуется большей прочностью. Спинка зуба очерчивается радиусом R = (0,3...0,45) D , при этом касательная должна проходить под углом .

Для всех профилей на задней поверхности зубьев назначается ленточка f, наклон которой и определяет величину заднего угла, f = 1...2 мм для зубьев с криволинейной спинкой и f= 0,1 мм для одно- и двухугловых зубьев.

Все размеры зубьев и канавок следует округлять кратно 0,5 мм.

При конструировании насадных фрез следует произвести провер­ку прочности корпуса по формулам:

Если эти условия не соблюдаются, следует изменить D и d и повторить расчет.

Выбор геометрических параметров фрез. Геометрические параметры фрезы назначаются в соответствии с условиями обработки: физико-механическими свойствами обрабатываемого материала, размерами сечения среза, требуемой шероховатостью поверхности и т.д. Выбор их производится по литературным источникам, отраслевым и заводским нормативам. В ряде случаев необходима экспериментальная проверка этих параметров.

Главный угол в плане  определяется конструкцией фрезы. Для цилиндрических, концевых, и дисковых фрез  = 90. Вспомогательный угол в плане  = 0...10.

Главный задний угол  назначается в целях уменьшения трения задней поверхности зуба фрезы о поверхность резания детали, рассматривается в торцовом сечении (см. рис. 2) и измеряется в торцовой пло­скости между касательной к задней поверхности и касатель­ной к траектории движения (вектором скорости резания) в рассматриваемой точке лезвия. Эта траектория практически может быть принята за окружность диаметром D. В торцо­вой плоскости угол  имеет наименьшее значение по срав­нению с величинами углов, измеряемыми в других направлениях (например, в нормальном). Поэтому главный задний угол и назначается в торцовой плоскости (в направлении следов износа задней поверхности).

При его увеличении уменьшается площадь контакта между этими поверхностями и соответственно снижаются силы трения. Однако увеличение этого угла сверх определенных значений приводит к уменьшению угла заострения , ослаблению режущего клина и, следовательно, к снижению его прочности. Уменьшение массивности режущего клина также ухудшает теплоотвод от лезвия, в результате возрастает температура резания и снижается стойкость фрезы.

Таким образом, величина главного заднего угла должна одновременно удовлетворять двум противоречивым условиям. При этом необходимо иметь в виду, что при встречном фрезеровании зуб фрезы начинает срезать стружку при толщине сечения среза, близкой к нулю, и наличии так называемой "дуги скольжения" (рис. 4), что отрицательно сказывается на стойкости фрезы. Для уменьшения дуги скольжения целесообразно увеличивать главные задние углы до величин, превышающих приблизительно в два раза величины аналогичных углов у токарных резцов. Так, для фрез с мелким зубом угол , для фрез с крупным зубом . При попутном фрезеровании задний угол выбирается равным 8...10°.

а б

Рис. 4. Изменение толщины сечения среза при фрезеровании (а);

радиус округления режущей кромки зуба фрезы (б)

Задний угол в нормальном сечении  необходим при профилировании фрез II порядка для обработки стружечных канавок и для удобства измерения углов  и .

.

Главный передний угол предназначен для уменьшения нагрузки на режущую кромку в процессе резания, измеряется между ка­сательной к передней поверхности зуба фрезы и перпендикуляром к вектору скорости резания и рассматривается в нормальном сечении АА , т.е. в направлении схода стружки.

Он назначается исходя из условий, обеспечивающих срезание стружки в зависимости от физико-механических свойств обрабатываемого материала и характеристики материала инструмента. Увеличение переднего угла способствует снижению пластических деформаций срезаемого слоя и сил резания, облегчает перемещение стружки по передней поверхности. С этой точки зрения величины передних углов желательно назначать предельно большими, близкими к 45°. Однако такое увеличение угла вызывает уменьшение угла заострения , ослабление режущего клина и приводит к снижению его прочности.

Таким образом, большие величины передних углов допустимо назначать только при обработке конструкционных материалов с низкими прочностными свойствами (табл. 2).

Таблица 2. Значения переднего угла фрез

Обрабатываемый материал		Передний угол для фрез
		Быстрорежущих	Твердосплавных
Сталь	до 600 МПа = 600...1000 МПа > 1000 МПа	20 15 12...10	15 +5...-5 -10...- 15
Чугун, бронза		5...15	+5...-5
Алюминиевые сплавы -		20...30	10...20

Конструктивные особенности цилиндрических фрез с острозаточенными зубьями из твердых сплавов. Стандартные твердосплавные цилиндрические фрезы с острозаточенными зубьями бывают составные, как правило, оснащены призматическими или винтовыми режущими пластинами из твердого сплава различной формы.

Размеры цилиндрических фрез с винтовыми твердосплавными пластинами приведены в [1]. При постоянном шаге угол наклона  зубьев на фрезе наружного диаметра D, отличного от наружного диаметра винтовой пластины с углом наклона , определяется по формуле . Номенклатура винтовых твердосплавных пластин позволяет изготовлять цилиндрические фрезы диаметром до 300 мм и с углом наклона зубьев

 = 20...60°.

Сведения о других конструктивных элементах приведены в работах

[ 1,2,3.4] и ГОСТ 8752-71, ГОСТ 3752-71, ГОСТ 8721-69 и др.

Конструктивные параметры цилиндрических фрез приведены в табл. 3.

Пример обозначения фрезы с мелким шагом диаметром D = 88 мм, длиной L = 125 мм, правой:

Фреза 2200-0157 ГОСТ 3752-71

Таблица 3. Размеры фрез, мм

Обозначение фрез		D Пред. откл. по h14	L Пред. откл. по h16	Отверстие				d1*	l *	h1 не менее	r не менее	f *	Число зубьев z	Шаг спирали =30°
Левые	Правые			d Пред. откл. по Н7	b Пред. откл. по е7	t1 Пред. откл. по Н7	r
2200-0131	2200-0132	(40)	40	16	4	17,7	0,6	18	10	4,0	1,5	0,6	10	218
2200-0133	2200-0134		50						12
2200-0133	2200-0136		63						13
2200-0137	2200-0138	50	50	22	6	24,1	1,0	24	12	4,5	2,0		12	272
2200-0139	2200-0140		63						13
2200-041	2200-0142		80						16
2200-0143	2200-0144	63	50	27	7	29,8	1,2	29	13	5,0	2,5		14	342
2200-0145	2200-0146		63						15
2200-0147	2200-0148		80						18
2200-0149	2200-0150		100						22
2200-0151	2200-0152	80	63	32	8	34,8		34	16	5,5		0,8	16	435
2200-0153	2200-0154		80						18
2200-0155	2200-0156		100						24
2200-0157	2200-0158		125						30
2200-0159	2200-0160	(100)	80	40	10	43,5		42	20	6,0			18	544
2200-0161	2200-0162		100						26
2200-0163	2200-0164		125						32
2200-0165	2200-0166		160						36

В технических требованиях на рабочих чертежах фрез указать:

1. Материал: сталь быстрорежущая по ГОСТ 19265-73.

2. 63... 65 HRCэ;

3. Шероховатость передних поверхностей выдерживается на высоте не менее 1/2 высоты зуба фрезы;

4. На задней поверхности фрез, вдоль режущих кромок, допускается цилиндрическая ленточка шириной не более 0,05 мм;

5. Биение опорных торцов при проверке на оправке не должно превышать 0,02 мм;

6. Радиальное биение режущих кромок зубьев относительно оси отверстия не должно превышать: 0,03 мм — для двух смежных зубьев, 0,06 — для двух противоположных зубьев;

7. * Размер для справок;

8. Остальные технические требования по ГОСТ 3752-71;

9. Маркировать обозначение, диаметр фрезы, марку материала.

Торцовые фрезы. Торцовые фрезы (рис. 5) предназначены для обработки плоскостей открытых или с небольшими уступами. По сравнению с цилиндрическими имеют значительный угол контакта с обрабатываемой поверхностью, что приводит к повышению равномерности процесса фрезерования. Современные торцовые фрезы оснащаются пластинками твердого сплава, выполняются цельными и сборными. Пластины закрепляются либо непосредственно в корпусе фрезы, либо припаиваются к сменным резцам (ножам). В качестве режущих элементов могут быть использованы сменные многогранные пластины (СМП), а также вставки из сверхтвердых материалов (СТМ).

Определение наружного диаметра и диаметра посадочного отверстия фрезы. Наружный диаметр D фрезы должен быть на 4...10 мм больше ширины фрезерования В и принимается равным D = (1,1...1,2) В. Насадные фрезы изготовляются диаметром 100...630 мм. Иногда изготовляются диаметром до 1000 мм. Диаметр посадочного отверстия назначается d= D/2,25 и округляется до стандартного значения фрезерной оправки.

Определение числа зубьев фрезы. Число зубьев цельной фрезы в зависимости от диаметра фрезы определяется следующим образом:

наружный диаметр D ...40...50...63...80...100...125...160

число зубьев Z 12...14...16...18... 20... 22... 24

Число зубьев (ножей) сборной фрезы (рис. 6) меньше, чем число зубьев у цельной, и принимается в зависимости от диаметра фрезы и обрабатываемого материала:

наружный диаметр D ... 40...50;.63...80...100...125...160....200 250 400

сталь ..................................3......4...........5...........6............ 8.........8 10.....12

чугун...................................4......5...........6.........10...........12.....16....22......30

Расположение ножей по угловому шагу может быть равномерным или неравномерным, также разновысотным со смещением вершин в осевом направлении на величину, несколько большую, чем подача на зуб.