Методы металлообработки деталей на фрезерном станке с ЧПУ.

Курсовую работу подготовил: Студент группы НС 15-21

Кутепов Семён.

Содержание:

Понятие фрезерования.

Фрезерование — метод механической металлообработки, при котором форма и размеры детали (заготовки) изменяются путём её резания при помощи вращающейся фрезы, специального многолезвийного инструмента в виде тела вращения или колеса с зубьями.

При вращении зубья срезают стружку, обрабатывая поверхность заготовки. При выполнении операции фрезерования используется как фреза, так и заготовка. Двигаясь друг относительно друга, они обеспечивают возможность изменять как горизонтальные, так и вертикальные плоскости заготовки (детали), а также обрабатывать её под различными углами.

Фрезерование получило широкое применение в процессах промышленного производства. Применение технологий цифрового контроля и настройки параметров обработки позволяет при помощи этой операции выполнять достаточно сложные работы.

Использование станков с цифровым программным управлением значительно ускорило возможность фрезерования, увеличило количество обрабатываемых деталей за единицу времени без ущерба для качества.

В настоящее время новейшие станки оборудуются специальными лазерными установками и устройствами, которые успешно выполняют функции фрезы, успешно обрабатывают поверхности деталей с помощью направленного луча и позволяют придерживаться строгих и точных размеров заготовки при её обработке.

Однако механическая фрезерная обработка продолжает упорно лидировать, так как она более дешёвая при расчёте затрат своего выполнения.

Один из самых производительных способов обработки металла – обработка резанием. По определению, резание – процесс, при котором резец снимает с поверхности обрабатываемой детали слой материала с образованием стружки. Большинство металлов и сплавов отлично поддаются обработке резанием.

Отличие фрезерования от других операций резания (точения, сверления и других) в том, что при фрезеровании инструментом можно осуществлять подачу в разных направлениях, а также совершать фрезой произвольные движения, заданные программой.

Фрезерование имеет намного больше степеней свободы, чем точение и сверление. Так, при точении резец способен обрабатывать только поверхности вращения. При сверлении сверло подаётся только вдоль своей оси и делает (почти всегда) только круглые отверстия. При фрезеровании же обрабатываемая поверхность может быть сколь угодно сложной.

Процесс фрезерования

Существуют различные виды механической обработки: точение, фрезерование, сверление, строгание и т. д. Несмотря на конструкционные отличия станков и особенности технологий, управляющие программы для фрезерных, токарных, электроэрозионных, деревообрабатывающих и других станков с ЧПУ создаются по одному принципу. В этой книге основное внимание будет уделено программированию фрезерной обработки. Освоив эту разностороннюю технологию, вероятнее всего, вы самостоятельно разберетесь и с программированием других видов обработки. Вспомним некоторые элементы теории фрезерования, которые вам обязательно пригодятся при создании управляющих программ и работе на станке.

При фрезеровании, так же как и при других видах обработки, режимы резания характеризуются скоростью резания, величиной подачи, глубиной резания и дополнительно шириной фрезерования.

Скоростью резания vпри фрезеровании называется окружная скорость наиболее удаленных точек режущих кромок зубьев фрезы. Она измеряется в м/мин.

Глубиной резания tназывается наикратчайшее расстояние между обрабатываемой и обработанной поверхностью, т. е. толщина снимаемого за один проход слоя материала в мм.

Шириной фрезерования В называется ширина обрабатываемой поверхности в направлении, параллельном к оси фрезы (для торцового фрезерования — в направлении, перпендикулярном к оси фрезы), ширина фрезерования измеряется в миллиметрах.

Процесс фрезерования заключается в срезании с заготовки лишнего слоя материала для получения детали требуемой формы, размеров и шероховатости обработанных поверхностей. При этом на станке осуществляется перемещение инструмента (фрезы) относительно заготовки или, как в нашем случае (для станка на рис. 1.4–1.5), перемещение заготовки относительно инструмента.

Для осуществления процесса резания необходимо иметь два движения – главное и движение подачи. При фрезеровании главным движением является вращение инструмента, а движением подачи – поступательное движение заготовки. В процессе резания происходит образование новых поверхностей путем деформирования и отделения поверхностных слоев с образованием стружки.

При обработке различают встречное и попутное фрезерование. Попутное фрезерование, или фрезерование по подаче, – способ, при котором направления движения заготовки и вектора скорости резания совпадают. При этом толщина стружки на входе зуба в резание максимальна и уменьшается до нулевого значения на выходе. При попутном фрезеровании условия входа пластины в резание более благоприятные. Удается избежать высоких температур в зоне резания и минимизировать склонность материала заготовки к упрочнению. Большая толщина стружки является в данном случае преимуществом. Силы резания прижимают заготовку к столу станка, а пластины – в гнезда корпуса, способствуя их надежному креплению. Попутное фрезерование является предпочтительным при условии, что жесткость оборудования, крепления и сам обрабатываемый материал позволяют применять данный метод.

Встречное фрезерование, которое иногда называют традиционным, наблюдается, когда скорости резания и движение подачи заготовки направлены в противоположные стороны. При врезании толщина стружки равна нулю, на выходе – максимальна. В случае встречного фрезерования, когда пластина начинает работу со стружкой нулевой толщины, возникают высокие силы трения, отжимающие фрезу и заготовку друг от друга. В начальный момент врезания зуба процесс резания больше напоминает выглаживание, с сопутствующими ему высокими тем пературами и повышенным трением. Зачастую это грозит нежелательным упрочнением поверхностного слоя детали. На выходе из-за большой толщины стружки в результате внезапной разгрузки зубья фрезы испытывают динамический удар, приводящий к выкрашиванию и значительному снижению стойкости.

В процессе фрезерования стружка налипает на режущую кромку и препятствует ее работе в следующий момент врезания. При встречном фрезеровании это может привести к заклиниванию стружки между пластиной и заготовкой и, со ответственно, к повреждению пластины. Попутное фрезерование позволяет избежать подобных ситуаций. На современных станках с ЧПУ, которые обладают высокой жесткостью, виброустойчивостью и у которых отсутствуют люфты в сопряжении ходовой винт-гайка, применяется в основном попутное фрезерование.

Припуск – слой материала заготовки, который необходимо удалить при обработке. Припуск можно удалить в зависимости от его величины за один или несколько проходов фрезы.

Принято различать черновое и чистовое фрезерования. При черновом фрезеровании обработку производят с максимально допустимыми режимами резания для выборки наибольшего объема материала за минимальное время. При этом, как правило, оставляют небольшой припуск для последующей чистовой обработки. Чистовое фрезерование используется для получения деталей с окончательными размерами и высоким качеством поверхностей.

При резании, которыми все режущие кромки инструмента одновременно участвуют в работе. При фрезеровании подача направлена перпендикулярно к оси вращения инструмента, вследствие чего каждый зуб фрезы находится в контакте с обрабатываемой деталью только в течение незначительной части своего оборота и в работе одновременно участвуют один или несколько зубьев фрезы. Большое количество зубьев у фрезы, каждый из которых работает небольшую часть времени и в течение большей части оборота фрезы успевает охладиться, обеспечивает большую стойкость инструмента и высокую производительность фрезерования.

Фрезерный станок по металлу с ЧПУ — это компактная машина, предназначенная для обработки металла, снабженная числовым программным управлением (ЧПУ) или имеющая лазерный сканер. Она позволяет выполнить гравировальные работы, углубления или разрезы в металлической заготовке в соответствие с заданными параметрами в автоматическом режиме. Ранее все детали обрабатывались вручную, что сказывалось на проценте брака, сейчас же фрезерование производится по уже заранее подготовленному алгоритму — программе (в нее закладываются чертежи изделий, глубина и величина разрезов) в автоматическом режиме.

При цилиндрическом фрезерованииобработанная поверхность 2 профилируется главной режущей кромкой 1, расположенной на поверхности вращения фрезы. Поэтому поперечный профиль обработанной поверхности полностью зависит от профиля образующей фрезы и является обратным ему, т. е. если фреза будет выпуклой, то обработанная поверхность вогнутой, и наоборот.

Продольный профиль обработанной поверхности при этом виде фрезерования будет волнистым, причем расстояние, а между волнами зависит от величины подачи на зуб, а их глубина, кроме того, еще и от диаметра фрезы.

Чтобы получить высокую чистоту обработанной поверхности при цилиндрическом фрезеровании, приходится работать с небольшими величинами подач.

Самыми популярными и, соответственно, распространенными являются фрезерные станки с ЧПУ консольного типа. На консоль закрепляется обрабатываемая заготовка, и именно этот рабочий орган совершает движения.

Грамотная настройка системы программного управления фрезерным оборудованием дает возможность передвигать фрезы и других режущие приспособления по любой траектории в рабочей области станка. За счет этого получается обрабатывать множество разных поверхностей изделия за одно его закрепление. Практически каждый современный фрезерный станок с ЧПУ позволяет производить следующие работы:

· развертывание, зенкерование, сверление отверстий;

· фрезеровка криволинейных, цилиндрических поверхностей и плоскостей;

· точение цилиндрических наружных поверхностей.

Фрезерование на современных станках с ЧПУ имеет следующие отличительные особенности, выгодно отличающие этот способ обработки от других:

· Низкая себестоимость

· Большая производительность

· Высокая точность позиционирования

Отличное качество обработки поверхности детали (при чистовом фрезеровании)

Подобные работы выполняются на всех станках с тремя координатными осями. При наличии четвертой и пятой оси может осуществляться и более сложная обработка металлических заготовок. Так, например, на пяти координатных агрегатах производятся работы, связанные с качественной и быстрой резкой фасонных поверхностей.

Станок с пятью координатами представляет собой оборудование, которое дает возможность поворачивать деталь вокруг какой-либо обозначенной оси в дополнение к главному передвижению инструмента по отношению к заготовке. Часто функцию пятой координаты выполняет угол наклона шпиндельной оси. Если в процессе работы его изменяют (задав соответствующую программу в системе ЧПУ), за одно закрепление изделия на станке может выполняться обработка малых по радиусу галтелей – так на языке профессионалов называются переходные поверхности. Подобная операция осуществляется коническими концевыми фрезами, которые имеют характерное закругление в виде сферы.

Модернизировать трехкоординатный агрегат в четырех- или пяти координатный несложно. Достаточно смонтировать поворотную добавочную рабочую поверхность на основной стол. Но здесь стоит понимать, что рабочая зона фрезерного агрегата уменьшится.

Настройка станков с ЧПУ, выпускаемых в наши дни для работы с металлоизделиями, не вызывает у специалистов затруднений. Важно только учитывать ряд общих особенностей, характеризующих фрезерную обработку заготовок, в частности таких:

· характер режущих операций;

· форма изделий;

· число координат (3–5);

· применение инструмента с набором разных лезвий;

· показатель шероховатости детали после ее обработки.

Применяемые технологии

Наиболее оптимальным способом металлообработки считается фрезерование, выполняемое на обычных станках, где заготовка (деталь) надёжно закрепляется на шпинделе. Весь процесс выполнения операции начинается с подготовительных мероприятий.

В начале обработки шпинделю придают небольшую скорость вращения, заготовка (деталь) при этом подводится непосредственно к инструменту. После этого станину отводят, а шпиндель, соответственно, останавливается.

Затем выполняют манипуляции по установке необходимой глубины обработки, резки и включают вращение непосредственно режущего инструмента. Станина перемещается таким образом, чтобы заготовка (деталь) вращающаяся фреза соприкоснулись.

Для выполнения работы с одной заготовкой часто применяют наборы фрез, что позволяет увеличить производительность процессов обработки. Размеры инструментов подбираются таким образом, чтобы соответствовать стандартам, задачам и требованиям точности.

Первоначальная черновая обработка допускается при квалитете точности в пределах 11-12, а заключительные этапы подразумевают значения восемь-девять. Эти требования могут быть повышены до показателей 7или 8, всё зависит от выдвигаемых требований точности.

После черновой обработки детали проводиться получистоваяобработка, чтобы устранить неровности и оставшуюся стружку на детали. После уже проводится финальная обработка – чистовая (финишная)

Режущий инструмент

Весь инструмент, использующийся в металлообработке, можно условно подразделить на режущий инструмент (фрезы, сверла, метчики и др.), непосредственно осуществляющий механическую обработку (резание), и вспомогательный, служащий для закрепления режущего инструмента в шпинделе станка (патроны, державки, оправки).

Станки могут иметь различные базовые конусы шпинделя, а режущий инструмент, в свою очередь, изготавливается с различными видами хвостовиков.

Базовый конус станка – выход шпинделя, выполненный в соответствии с одним из стандартных вариантов исполнения. Различают метрические конусы (7:24 или ISO 7388.1), конусы Морзе (отечественные фрезерные станки или оборудование сверлильной группы), HSK (современные станки, предназначенные для высокоскоростной обработки).

Цельные фрезы: изготовляют целиком из высококачественного инструментального материала.

Напайные фрезы: изготовляют из дешевых конструкционных сталей, а на рабочие части их зубьев напаивают пластинки из высококачественных инструментальных материалов.

Наборные фрезы: состоят из корпуса, выполняемого из легированной конструкционной стали, и вставных зубьев, закрепляемых в корпусе фрезы механическими средствами: клиньями, коническими штифгами ит. п. Затачивают наборные фрезы в собранном виде.

Фрезерные головки: имеют быстросменные зубья, которые представляют собой обычные резцы. Такие зубья затачивают как отдельно от корпуса с последующей установкой зубьев в корпусе фрезы по шаблону, так и целиком — в собранном виде.

По профилю зубьев: различают фрезы с остроконечными и затылованными зубьями. По расположению режущей кромки относительно оси фрезы бывают с прямым и спиральным (винтовым) зубом.

Прямой зуб входит в работу сразу, а спиральный зуб — постепенно. Поэтому фрезы со спиральными зубьями работают более плавно и спокойно, чем фрезы с прямыми зубьями.

По способу крепления фрезы подразделяются на насадные, хвостовые и торцовые.

Насадные фрезы:имеют отверстие и шпоночный паз и закрепляются на шпиндельной оправке.

Хвостовые фрезы: изготовляются за одно целое с коническим или цилиндрическим хвостовиком. Фрезы с коническим хвостовиком закрепляются или непосредственно в шпинделе станка, или с помощью конических переходных втулок. Фрезы с цилиндрическим хвостовиком закрепляются в цанговом патроне.

Торцовые фрезы: устанавливаются непосредственно на торце шпинделя и закрепляются четырьмя болтами.

По назначению фрезы: разделяются на следующие основные типы: для обработки плоскостей, прорезные, пазовые, угловые, фасонные, зуборезные, резьбовые и специальные.

К фрезам для обработки плоскостей: относятся торцовые фрезы, которые более других приспособлены для высокопроизводительной и высококачественной обработки плоскостей, а также цилиндрические фрезы с прямыми и спиральными зубьями.

Прорезные фрезы 5 являются циркульными пилами и служат для прорезания шлицев, канавок и разрезания материалов.

Фрезы для обработки пазов бывают различных конструкций: трехсторонняя, дисковая фреза 4 служит для прорезания прямоугольных пазов, пальцевые фрезы 9 используют для обработки тавровых пазов и пазов типа «ласточкин хвост». Концевой фрезой 6 обрабатывают шпоночные пазы, окна и криволинейные пазы.

Угловые фрезы бывают одноугловые и двуугловые .

Фасонные фрезы применяют для обработки фасонных профилей, вогнутых, выпуклых и криволинейных.

К зубонарезным фрезам относятся дисковые модульные фрезы 11, пальцевые модульные фрезы 12 и червячные модульные фрезы 16. Все они служат для нарезания зубчатых колес. Сюда же относятся специальные фрезы для нарезания конических зубчатых колес.

Резьбовые фрезы бывают двух типов: дисковые 14 и гребенчатые 13. Первые применяют для фрезерования длинных и глубоких по профилю резьб, вторые — для нарезания коротких крепежных резьб.

Методы металлообработки деталей на фрезерном станке с ЧПУ. - student2.ru Таким образом, вспомогательный инструмент является неким переходником между шпинделем станка и режущим инструментом. Совокупность режущего и вспомогательного инструментов называется инструментальным блоком. Отметим, что в инструментальном блоке могут находиться несколько вспомогательных инструментов и только один режущий (основной). Большие инструментальные блоки снижают жесткость технологической системы и уменьшают точность установки режущего инструмента, в результате чего ухудшаются условия обработки и качество изделия.

Одноугловые и двухугловые фрезы применяют для получения канавок различного профиля. Такие канавки фрезеруются у режущих инструментов (фрез, зенкеров, разверток и т. д.) и в некоторых деталях.

Т-образные фрезы применяют для получения соответствующих пазов, главным образом у столов металлорежущих станков.

Задняя поверхность фасонных фрез затылована (выполняется по архимедовой спирали); переточка фрез производится только по передней поверхности, причем профиль зуба не нарушается.

Модульные фрезы, дисковые и пальцевые, применяются для получения зубьев зубчатых колес. Каждая фреза пригодна для получения зубьев только данного модуля и зубчатых колес лишь одного определенного интервала количества зубьев, например, от 17 до 20 зубьев, от 21 до 25 зубьев и т. д. (теоретически каждая модульная фреза пригодна лишь для нарезания зубчатого колеса с определенным количеством зубьев); поэтому модульные фрезы изготовляются комплектами из 8 или 15 штук. Переточка модульных, фрез (как и всяких фасонных фрез) производится только по передней поверхности. Червячные фрезы также применяются для получения зубьев зубчатых колес на зубофрезерных станках. Червячная фреза имеет зубья трапецеидальной формы. Нарезание зубьев колес червячной фрезой производится методом обкатки, причем (1 таких случаях точность получается более высокой (по сравнению с нарезанием зубьев дисковой фрезой). В процессе обработки червячной фрезой последняя как бы находится в зацеплении с заготовкой и обкатывает ее. Здесь уже не требуется комплекта фрез, так как при нарезании колес нужный профиль автоматически получается в зависимости от обкатываемого диаметра.

Помимо зубонарезания, червячные фрезы применяют для резьбонарезания, фрезерования шлицев и т. д.

Процесс фрезерования протекает со скачкообразным изменением нагрузок вследствие переменной величины сечений среза и количества одновременно работающих зубьев. Это может вызывать вибрации системы фреза — заготовка — станок, усиливающиеся при скоростном фрезеровании. Поэтому при скоростном фрезеровании обращают особое внимание на жесткость системы фреза — заготовка — станок.

Для скоростного фрезерования используют фрезы с зубьями, оснащенными пластинками твердых сплавов, или фрезы со вставными ножами. По конструкции такая фреза должна быть простой, обеспечивать возможность быстрой установки и регулирования ножей в корпусе, обладать необходимой прочностью и жесткостью. С целью обеспечения плавности работы (вращения) фрезы, повышения стойкости ножей (зубьев) и улучшения качества обработанной поверхности при скоростном фрезеровании часто применяют специальные маховики, которые крепят на нижнем конце шпинделя станка или на корпусе торцовой фрезы.

По технологическому признаку различают фрезы для обработки плоскостей, пазов и шлицев, зубчатых колес, резьбы, фасонных поверхностей, для разрезки материала и т. д.

По конструктивному признаку различают:

· по устройству фрезы (цельные, составные, со вставными зубьями);

· по конструкции зуба (с острозаточенными, с затылованными зубьями);

· по направлению зуба (прямые, наклонные, винтовые зубья);

· по способу крепления (насадные, хвостовые – с цилиндрическим или коническим хвостовиком).

По материалу, из которого они изготовлены: быстрорежущая сталь, твердый сплав и др. В современной инструментальной практике львиную долю составляет цельный твердосплавный или быстрорежущий инструмент, а также инструмент с механическим креплением режущих частей (пластин). Твердые сплавы допускают работу со скоростями резания, превышающими в 5–10 раз скорости обработки быстрорежущими инструментальными сталями, обладают большей температурной стойкостью и износостойкостью.

Цельные концевые фрезы:

Методы металлообработки деталей на фрезерном станке с ЧПУ. - student2.ru Обычная концевая фреза имеет несколько режущих зубьев (2, 3, 4, 6 или 8) и прямоугольный профиль режущей части. Зубья фрезы разделены винтовыми канавками, которые обеспечивают отвод стружки из зоны резания. В случае, когда необходимо получить переход от одной поверхности к другой с определенным радиусом, применяют фрезы со сферическим концом или с небольшим радиусом в основании профиля. Фрезы со сферическим концом и шаровые фрезы часто используются при обработке поверхностей сложной формы, например, штампов и пресс-форм. Конические фрезы предназначены для фрезерования наклонных поверхностей и поднутрений.

Концевые фрезы наиболее универсальны – они позволяют обрабатывать плоскости, пазы и уступы. Существуют и другие типы фрез: торцовые, дисковые, пазовые. Эти фрезы, как правило, служат для выполнения фрезерных операций «узкой» направленности. Например, торцовая фреза – это лучший инструмент для фрезерования открытой плоскости, а дисковая – для обработки глубокого узкого паза за один проход.

Торцовая фреза и режущая пластина:

Широкое распространение получили фрезы с механическим креплением пластин из твердого сплава и других инструментальных материалов. На корпусах таких фрез имеются специальные посадочные места, в которые устанавливаются пластины. Крепление пластин к стальному корпусу, как правило, осуществляется при помощи обычных винтов. Пластины имеют несколько граней, и в случае износа одной из них существует возможность развернуть пластину «свежей» гранью. Когда износятся все грани, то пластину можно выбросить и поставить новую. Получается очень экономичное решение, поскольку цельные твердосплавные фрезы стоят довольно дорого. Современные режущие пластины проектируются с учетом работы в различных условиях и отличаются геометрией передней поверхности.

При угле в плане 90° сила резания направлена радиально в соответствии с направлением подачи. Основная область применения таких фрез – обработка прямоугольных уступов.

Методы металлообработки деталей на фрезерном станке с ЧПУ. - student2.ru При работе фрезой с углом в плане 45° осевые и радиальные силы резания практически одинаковы, и потребляемая мощность невысока. Это фрезы универсального применения. Особенно они рекомендуются для обработки материалов, дающих элементную стружку и склонных к выкрашиванию при значительных радиальных усилиях на выходе инструмента. При врезании инструмента меньше нагрузка на режущую кромку и меньше склонность к вибрациям при закреплении в приспособлениях с небольшими усилиями зажима. Меньшая толщина срезаемого слоя при угле в плане 45° позволяет увеличивать минутную подачу стола, то есть повысить производительность обработки.