Конструкция и классификация фрез

Конструкция и геометрия фрез

Методические указания к выполнению лабораторной работы

по курсам: «Технология конструкционных материалов»,

«Механическая обработка материалов»,

«Материаловедение и обработка конструкционных материалов»

Саратов 2006

Цель работы: изучить конструктивные элементы и геометрические параметры фрез, а также способы их измерения.

Основные понятия

Схемы резания при фрезовании

Обработка фрезерованием при изготовлении деталей машин, механизмов, приборов является одним из наиболее высокопроизводительных, универсальных и широко применяемых методов. Схема резания при фрезеровании предусматривает удаление поверхностного слоя материала заготовки с глубиной резания t за счет ее установки на станке и поступательного движения с подачей S, а также благодаря вращению со скоростью V фрезы 4, закрепленной в шпинделе станка (рис.1). При этом различают обрабатываемую поверхность 6, поверхность резания 2 и обработанную поверхность3.

В зависимости от расположения у фрезы режущих зубьев схемы фрезерования плоских поверхностей разделяют на цилиндрическое и торцовое фрезерование.

Цилиндрическое фрезерование осуществляется зубьями на образующей поверхности фрезы, и в процессе резания участвует одновременно небольшое число зубьев (рис. 1). По направлению вращения V фрезы и подачи S заготовки различают встречное и попутное фрезерование. При встречном фрезеровании толщина срезаемого слоя и нагрузка на зуб возрастают плавно, что благоприятно сказывается на стойкости фрезы (рис. 2а). Но сила резания стремится оторвать заготовку от рабочего стола, вызывает ее вибрацию и увеличивает шероховатость обработанной поверхности. Поэтому встречное фрезерование рекомендуется для черновой обработки.

Во время попутного фрезерования зуб фрезы сразу начинает срезать слой материала наибольшей толщины, и это отрицательно влияет на стойкость фрезы (рис. 2б). Сила резания прижимает заготовку к рабочему столу, уменьшает ее вибрацию, и шероховатость обработанной поверхности улучшается, из-за чего попутное фрезерование целесообразно применять для чистовой обработки.

Торцовое фрезерование производится зубьями на торцовой, а также образующей поверхностях фрезы (рис.1б). При этом в резании одновременно участвует значительное число зубьев с главной и вспомогательной режущими кромками, что позволяет повысить производительность обработки и качество обработанной поверхности. Поэтому торцовое фрезерование плоских поверхностей применяют чаще, чем цилиндрическое.

Рисунок 1

Конструкция и классификация фрез

К основным конструктивным частям фрезы относятся ее корпус 4 и режущие зубья 5 с определенными размерами и формой (рис.1).

По расположению зубьев на корпусе различают цилиндрические и торцовые фрезы.

Рисунок 2

Рисунок 3

Цилиндрические фрезы имеют зубья на образующей поверхности корпуса, их конструктивными элементами являются: передняя поверхность 7, задняя поверхность 8, спинка 1, режущая кромка 9 (рис.1а).

Торцовые фрезы снабжены зубьями на торцевой поверхности корпуса, включающими следующие элементы: переднюю, поверхность 7, главную заднюю поверхность 11 (на рисунке обращена вниз), а также главную режущую кромку 9, вспомогательную режущую кромку 12 и вершину 10 (рис. 1б).

Передняя поверхность зуба воспринимает нагрузку от сходящей по ней стружки, главная задняя поверхность контактирует с поверхностью резания 2, вспомогательная задняя поверхность - с обработанной поверхностью 3, улучшая ее качество.

Необходимая производительность фрезерования достигается увеличением глубины t, подачи S и скорости обработки V. Чтобы при этом обеспечить заданную стойкость фрез, для их изготовления применяют инструментальные материалы с высокой твердостью, прочностью, износостойкостью, теплостойкостью, но также и с повышенной стоимостью.

По способу изготовления фрезы разделяют на цельные, составные и сборные.

Цельные фрезы изготовляют из инструментальных низколегированных сталей ХГ, ХВГ, ХВ5, 9ХС с невысокой теплостойкостью и применяют в ремонтном и мелкосерийном производстве деталей при скорости резания до 25 м/мин (рис. 3а, 4а, 6а).

Составные фрезы имеют рабочую часть 1, изготовленную из инструментальной, высоколегированной быстрорежущей стали Р12, Р6М3, Р6М5, Р9К5, а хвостовик 2 – из конструкционной углеродистой либо легированной стали (рис. 6б). Рабочая часть и хвостовик соединяются с помощью сварки, что позволяет снизить стоимость фрез и за счет повышенной теплостойкости материала рабочей части использовать их в крупносерийном производстве при скоростях резания до 100 м/мин.

Сборные фрезы снабжаются режущими зубьями (ножами) из быстрорежущей стали, а также зубьями из конструкционной легированной либо инструментально углеродистой стали с режущими пластинками из инструментального твердого сплава. Режущие ножи удерживаются в гнездах корпуса фрезы за счет механического крепления (рис. 3б, 4б). Твердосплавные режущие пластинки 3 обычно крепятся в гнезде 6 корпуса, ножа или рабочей части фрезы (рис. 3в, 4в, 6в).

Рисунок 4

Режущие пластинки прессуются и спекаются из смеси порошков кобальта и карбида вольфрама (ВК6, ВК8, ВК10М) с карбидом титана (Т5К10, Т14К8, Т60К6) и карбидом титана (ТТ7К12, ТТ20К9). Высокая теплостойкость указанных материалов обеспечила наиболее широкое применение сборных твердосплавных фрез в массовом производстве при скорости резания до 800 м/мин. Для чистовой обработки используют пластинки, изготовленные из смеси порошков на основе корунда at₂O₃ – минералокерамики марок В0-13, В0-14, ВОК-60, ВОК-63, позволяющей в несколько раз повысить производительность и стойкость фрезы.

По способу крепления к шпинделю станка различают насадные и хвостовые фрезы.

Насадные фрезы имеют центральное отверстие со шпоночной канавкой (рис. 1а) или торцовым пазом (рис. 1б), что позволяет установить их на оправку, закрепляемую затем в шпинделе станка.

Хвостовые фрезы снабжены конусным хвостовиком 2, которым фреза устанавливается и закрепляется в конусном отверстии переходной втулки или шпинделя станка (рис. 6).

По положению режущей кромки зубьев относительно оси фрезы выделяют фрезы с прямыми, винтовыми и разнонаправленными зубьями.

Прямозубые фрезы просты в изготовлении, но каждый их зуб входит и выходит из процесса резания сразу всей своей шириной, что делает резание неравномерным, снижает стойкость фрезы и качество обработанной поверхности (рис. 5а, б).

Винтозубые фрезы имеют зубья с режущими кромками, направленными под углом к оси фрезы (рис. 3, 6). При работе такие зубья врезаются в материал и выходят из процесса резания постепенно по своей ширине, что стабилизирует резание, повышает стойкость фрезы и качество обработки. При установке винтозубой фрезы направление винтовой линии ее зубьев и направление вращения шпинделя (правое или левое) должны быть разноименными, чтобы осевая составляющая силы резания была направлена в сторону гнезда шпинделя, исключая ослабление крепления в нем оправки с фрезой.

Разнонаправленные зубья при работе фрезы создают силы резания, осевые составляющие которых противонаправлены и уравновешивают друг друга (рис. 5е).

По форме задней поверхности зубьев различают фрезы с остроконечными и с затылованными зубьями.

Рисунок 5

Остроконечный зуб имеет прямую или параболистическую форму линии задней поверхности, по которой производится его переточка (рис. 5а). Фрезы с такими зубьями просты в изготовлении и обладают высокой стойкостью, однако их переточка сильно изменяет профиль зубьев, что не позволяет использовать такие фрезы для обработки фасонных поверхностей.

Затылованный зуб характеризуется линией задней поверхности, выполненной по архимедовой спирали (рис. 5б). Его изготовление более сложно, а переточка производится по передней поверхности, таких фрез для обработки фасонных поверхностей.

По количеству зубьев и величине их шага фрезы делят на крупнозубые и мелкозубые.

Крупнозубые фрезы имеют высокую прочностью и стойкостью, но создают неравномерный режим фрезерования (рис. 5г). Это ухудшает качество обработки и позволяет применять их для чернового фрезерования.

Мелкозубые фрезы обеспечивают равномерную работу и высокое качество поверхности при чистовом фрезеровании (рис. 5в).

По виду выполняемой работы различают фрезы для обработки плоских поверхностей, пазов и фасонных поверхностей.

Плоские поверхности обрабатываются цилиндрическими, торцовыми, дисковыми или концевыми фрезами.

Цилиндрические фрезы обычно имеют винтовые зубья и изготовляются цельными (рис. 3а), а также сборными с вставными ножами из быстрорежущей стали (рис. 3б) либо с винтовыми пластинками из твердого сплава (рис. 3в). Широкие поверхности обрабатываются комплектом фрез, причем направления винтовых линий зубьев фрез в комплекте должно быть таким, чтобы осевые составляющие сил резания стремились бы сблизить фрезы либо их результирующая была бы направлена в сторону шпинделя станка (рис. 3б).

Торцовые фрезы могут быть цельными (рис. 4а) или сборными с вставными ножами из быстрорежущей стали (рис. 4б) либо оснащенными пластинками из твердого сплава (рис. 4в).

Дисковые фрезы изготовляются цельными либо сборными и по назначению делятся на пазовые (рис. 5а, б), отрезные и прорезные (рис. 5в, г), двусторонние (рис. 5д) и трехсторонние (рис. 5е). Поверхности в виде уступов обрабатываются двусторонними и трехсторонними фрезами, глубокие пазы – трехсторонними фрезами, имеющими разнонаправленные зубья для улучшения отвода стружки и повышения стойкости фрезы.

Торцовые режущие кромки дисковых фрез имеют скос для снижения сил трения по обратной поверхности. Из-за этого после переточки ширина их зубьев уменьшается, что можно компенсировать применением комплекта фрез с регулируемой шириной комплекта.

Пазы сквозные, с выходом, закрытые и Т-образные обрабатываются дисковыми пазовыми фрезами, прорезными и отрезными, а также концевыми и шпоночными фрезами.

Пазовые фрезы с остроконечными или затылованными зубьями на образующей поверхности служат для обработки точных по ширине неглубоких пазов (рис. 5а, б).

Прорезные (шлицевые) и отрезные фрезы используются для получения узких, неглубоких прорезей (шлица головки винтов), а также для отрезки заготовки в заданный размер (рис. 5в, г).

Концевые фрезы могут быть цельными, составными либо сборными с коронкой или винтовыми пластинками из твердого сплава (рис 6). С помощью концевых фрез обрабатываются вертикальные поверхности, уступы, а также глубокие канавки сложной конфигурации. Цельные и составные фрезы имеют затылованные зубья со стружкоразделительными канавками для улучшения условий резания. Их применяют для предварительной обработки и часто называют «кукурузными».

Шпоночные фрезы для обработки пазов призматических шпонок могут изготовляться цельными из твердых сплавов, цельными либо составными из быстрорежущей стали, а также сборными с твердосплавными пластинками (рис. 7а). Для пазов сегментных шпонок применяются шпоночные хвостовые, цельные или составные фрезы (рис. 7б), а также шпоночные насадные цельные фрезы (рис. 7в).

Т-образные пазы образуются фрезами цельными, составными или сборными с твердосплавными пластинками (рис. 8).

Фасонные поверхности образуются кривыми, и их профиль обычно бывает вогнутым, винтовым или зубчатым.

Полукруглые вогнутые (рис. 9а) либо выпуклые (рис.9б) фрезы цельной конструкции с затылованными зубьями применяются для получения выступов или пазов полукруглого профиля.

Резьбовые фрезы могут быть дисковыми, либо гребенчатыми формой зубьев, соответствующей профилю нарезаемой резьбы. Дисковые фрезы с остроконечными зубьями используются для нарезания длинных резьб трапецеидального профиля, например, ходового винта станков (рис. 10а). Гребенчатые фрезы имеют затылованные зубья и служат для нарезания наружной или внутренней треугольной резьбы небольшой длины (рис.10б). Они изготовляются хвостовыми, цельной или составной конструкции либо цельными насадными.

Рисунок 6

Рисунок 7

Рисунок 8

Рисунок 9

Рисунок 10

Рисунок 11

Зуборезные модульные фрезы делят на дисковые, пальцевые и червячные, они имеют затылованные зубья с профилем, соответствующим профилю нарезаемой зубчатой поверхности. Дисковые модульные фрезы предназначены для нарезания прямозубых колес и зубчатых реек методом зубокопирования (рис.11а). Они имеют цельную конструкцию из быстрорежущей стали либо из твердого сплава. Пальцевые модульные фрезы служат для нарезания цилиндрических и конических прямозубых, косозубых и шевронных колес методом зубокопирования (рис. 11б). Они изготовляются цельными, составными или сборными. Червячные модульные фрезы применяются для нарезания методом зубообкатки цилиндрических и конических зубчатых колес с прямыми, косыми и спиральными зубьями (рис. 11в). Они могут быть цельными из быстрорежущей стали либо из твердого сплава, а также сборными с вставными гребенчатыми ножами из быстрорежущей стали либо из твердого сплава.

Геометрия фрез

Геометрические параметры фрезы включают ее габаритные размеры, а также углы, под которыми расположены поверхности и режущие кромки зуба фрезы относительно друг друга или относительно координатных плоскостей.

Координатные плоскости введены как поверхности начала отсчета для измерения геометрических параметров фрезы. К ним относятся осевая плоскость 14 и плоскость резания 13 (рис.I). Осевая плоскость принята проходящей через ось фрезы, а также через заданною точку режущей Ромки зуба цилиндрической фрезы либо через вершину зуба торцовой фрезы. Плоскость резания является касательной к поверхности резания 2 и проходит через главную режущую кромку зуба.

Габаритные размеры представляют диаметр Д фрезы, на котором расположены наиболее удаленные от оси фрезы точки ее режущих кромок, а также длину L или высоту В фрезы и ее посадочный диаметр d.

Углы зуба фрезы измеряют в секущих плоскостях, а также в плане. Для цилиндрической фрезы главной секущей плоскостью может быть плоскость N, нормальная к режущей кромке зуба либо к оси фрезы (рис. 12а). Для торцовой фрезы главные секущие плоскости образуют нормальное к режущей кромке сечение NN или нормальное к оси фрезы сечение ББ (рис.12б). Вспомогательная секущая плоскость располагается нормально к вспомогательной режущей кромке зуба торцовой фрезы, образуя сечение N₁N₁.

Рисунок 12

В секущих плоскостях измеряют в общем случае передний угол γ, задний угол α и угол заострения β. Передний угол γ измеряют между передней поверхностью зуба (или касательной к ней) и осевой плоскостью, проведенной через режущую кромку. Задний угол α измеряют между задней поверхностью зуба (или касательной к ней) и плоскостью резания. Угол заострения β заключен между передней и задней поверхностями зуба (или между касательными к ним). Если сумма углов α + β < 90⁰, то угол γ считается положительным (рис. 12б, I), если же эта сумма больше прямого угла, то угол γ считается отрицательным (рис. 12б, III):

β = 90 – (α + γ). (1)

Главные углы в сечении NN, нормальном к режущей кромке, включают передний угол γ, нормальный задний угол α_n и угол заострения β. В сечении ББ, нормальном к оси фрезы, различают поперечный передний угол γ^/ и заданный угол α.

Значения углов в секущих плоскостях связаны между собой зависимостями, учитывающими положение режущей кромки зуба фрезы.

Для цилиндрических, дисковых и концевых фрез с винтовыми зубьями эта зависимость имеет вид:

(2)

где ω – угол наклона винтовой линии режущей кромки зуба.

Для торцовых фрез взаимосвязь между этими углами выражается формулами:

(3)

где φ – главный угол в плане.

Вспомогательными углами торцовой фрезы в сечении N₁N₁, нормальном к вспомогательной режущей кромке, являются передний угол γ₁, задний угол α₁ и угол заострения β₁ (рис. 12б).

Передний угол γ определяет величину сил резания, плавность процесса обработки и поэтому его величина обусловливает стойкость фрезы и качество обработанной поверхности. С увеличением угла γ облегчается резание мягких материалов, улучшается качество их обработки. При резании твердых материалов следует уменьшить угол γ вплоть до его отрицательных значений. В зависимости от твердости обрабатываемого материала величина угла γ у цилиндрических фрез из быстрорежущей стали, выбирается в пределах от + 5 до + 20⁰, у торцовых твердосплавных фрез – от -10 до + 15⁰.

Вспомогательные углы γ₁ и α₁ обычно принимаются равными ½ значений соответствующих главных углов.

Угол ω наклона винтовой линии режущей кромки зуба фрез измеряют между проекцией режущей кромки на осевую плоскость и осью фрезы (рис. 12а). Благодаря наличию этого угла снижается сила резания, увеличивается стойкость фрезы, улучшается качество обработки. Значение угла ω для цилиндрических фрез составляет 30…45⁰, для концевых – 30…40⁰, для торцовых цельных – 25…40⁰, сборных – 10⁰.

Угол λ наклона главной режущей кромки измеряют в плоскости резания между режущей кромкой и ее проекцией на осевую плоскость (рис. 12б, вид А). Значение этого угла влияет на прочность вершины зуба и на плавность его врезания в обрабатываемый материал. С увеличением угла λ вершина зуба упрочняется, его врезание смягчается, но сила резания возрастает. Для торцовых сборных фрез угол λ составляет 0…15⁰, для цельных торцовых, а также для цилиндрических, дисковых и концевых фрез он делается отрицательным и соответствует углу ω наклона винтовой линии режущей кромки.

В плане у торцовых фрез различают главный угол φ, вспомогательный угол φ₁ и дополнительный угол φ₀ (рис. 12б).

Главный угол φ в плане измеряют между проекцией главной режущей кромки на осевую плоскость и направлением подачи S. Вспомогательный угол φ₁ в плане измеряют между проекцией вспомогательной режущей кромки на осевую плоскость и направлением, противоположным подаче S. Дополнительный угол φ₀ измеряют между проекцией переходной режущей кромки f₀ на осевую плоскость и направлением подачи S. Угол ε при вершине образуется проекциями главной и вспомогательной режущих кромок на осевую плоскость. Значения углов в плане связаны между собой зависимостью:

(4)

С увеличением угла φ уменьшается сила резания, но снижается качество обработки. Величина φ зависит в основном от жесткости закрепления детали и для фрез из быстрорежущей стали, составляет 20…45⁰. Угол φ₁ улучшает шероховатость обработанной поверхности, для торцовых и дисковых фрез он принимается равным 1…2⁰, для шпоночных – 6⁰, для концевых фрез – 8…10⁰.

Переходная режущая кромка обычно имеет ширину f₀ = 1,2…1,5 мм, что упрочняет вершину зуба и повышает стойкость фрезы. Угол ее наклона φ₀ принимается равным φ/2.

Ленточка f зуба цилиндрической фрезы шириной до 0,1 мм служит для контроля концентричности расположения зубьев и фрезы (рис. 12а).

Техника эксперимента