Инструменти за фрезови машини

Инструменти, материалиСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 1/2017 • 27.02.2017

Инструменти за фрезови машини
Инструменти за фрезови машини

Фрезовите машини се използват широко в технологичната практика за обработване на призматично-корпусни детайли. При тях фрезоването е водещият вид рязане и основните изпълнявани операции са фрезоване на равнини, стъпала, канали, равнинни контури (джобове и острови), резби (външни и вътрешни), сложни обемно-профилни повърхнини.

Машините се различават по своя типоразмер (малки, средни, големи, уникални), универсалност (универсални, специализирани, специални) и технологични възможности, степен на автоматизация и вид на управлението (ръчно, циклово, ЦПУ), мощност, въртящ момент и максимална честота на въртене на шпиндела, за конвенционална, високоскоростна и високопроизводителна обработка, точност (с нормална точност, прецизни, свръхпрецизни), компановка (хоризонтална, вертикална, смесена), вид на подавателните движения (линейни, кръгови), брой на управляваните оси (21/2, 3, 4, 3+2, 5), скорост на бързия ход и т. н.

Управляваните от система за ЦПУ могат да бъдат подразделени също така на собствено фрезови машини и машини тип обработващи центри - обработващите центри притежават по-висока степен на автоматизация и по-широк обхват от технологични възможности.

› Реклама

Фрезоване
Фрезоването представлява обработка на материалите чрез снемане на стружка посредством въртящ се режещ инструмент, наречен фреза, разположен в шпиндела на машината. Фрезата притежава определен брой зъби, върху които са разположени режещи ръбове, намиращи се в непостоянен, периодично повтарящ се контакт с обработвания материал.

Всеки зъб снема примерно еднакво количество материал от прибавката под формата на отделни стружки. Наличието на няколко режещи ръба определя високата производителност на фрезоването в сравнение, например, със струговането.

Между зъбите има канали за поемане и отвеждане на образувалата се стружка. За разлика от размерния инструмент (свредла, метчици, зенкери, райбери и др.), с една фреза, при съответстваща траектория на движението, могат да се получат повърхнини с различна форма и размери.

Елементи на режима на рязане
При фрезоването главното движение е ротационно и се предава чрез въртенето на шпиндела с честота n (фиг. 1). Подавателното е геометрична сума от работните движения (линейни и кръгови) на шейните на машината; траекторията на подавателното движение може да бъде практически произволна равнинна или пространствена линия.

Фигура 1Скоростта на рязане VC показва бързината, с която се снема стружката. Разглежда се като скорост на движение на режещите ръбове спрямо обработваната повърхнина на заготовката. Това всъщност е линейната (периферната) скорост на въртящата се фреза, чиято големина е правопропорционална на честотата на въртене на шпиндела n и диаметъра на фрезата D.

Подаването на зъб fZ е разстоянието между траекториите на движение на два съседни зъба, измерено по посоката на подавателното движение. Подаването на зъб е основният фактор, който определя областта на използване и производителността на инструмента.

Подаването на оборот fn е относителното преместване на фрезата спрямо заготовката за един оборот на инструмента.
Минутното подаване Vf е скоростта на движение на инструмента спрямо заготовката, измервана в милиметри за минута.

Дълбочината на рязане aP се измерва по оста на въртене на фрезата и представлява разстоянието между обработената и все още необработената повърхнина. Широчината на фрезоването aе е големината на срязваната прибавка, измерена в радиално направление.

Конструкция на фрезите в зависимост от вида на режещата част
Монолитен инструмент. Изработва се изцяло от инструментален материал. Предимството на монолитния инструмент е високата му фабрична точност и конструктивно заложената симетричност, облекчаваща балансирането.

Със сменяеми пластини. Фрезите със сменяеми пластини имат тяло от сравнително евтин конструкционен материал, а режещата част - това са пластините, изработени от достатъчно скъпия инструментален материал. Пластините се монтират, настройват и закрепват в специално изработени гнезда в тялото на фрезата, имат няколко режещи ръба и при износване на някой от тях пластината може да се завърти и в работна позиция да се фиксира нов режещ ръб.

Пластините са сменяеми и не се презаточват - след износването на всички режещи ръбове, пластините се отстраняват и на тяхно място се поставят нови. Концепцията със сменяемите пластини осигурява икономически изгоден инструмент, тъй като на подмяна подлежат само износващите се елементи - пластините, а тялото се запазва за продължителна употреба. Чрез смяна на комплекта пластини инструментът придобива висока универсалност и може да бъде подготвен за различни технологични приложения.

Конструкция в зависимост от начина на монтиране върху инструментодържача
Фрезите не се монтират непосредствено в шпиндела, а се базират и закрепват в него чрез инструментодържачи. В зависимост от начина на монтирането, се различават:
• дорникови фрези, които има точен централен отвор за присъединяване към цилиндричната базова повърхнина на дорника;
• опашкови фрези, които имат цилиндрична присъединителна повърхнина (много по-рядко конусна).

Инструментодържачите притежават стандартизиран базов конус (фиг. 2), по който се установяват в базовия конусен отвор на шпиндела. Дължината на инструмента L се определя спрямо характерни повърхнини на инструментодържача. Най-често използвани са базовите конуси с номера 30, 40 и 50, изпълнени в съответствие със стандартите ISO и SK (фиг. 2а) - по-мощната машина изисква по-голям номер на конуса.

Фигура 2

В последно време все повече се прилагат тънкостенните кухи къси конуси по стандарта HSK (фиг. 2б), които са подходящи за високоскоростна обработка и създават благоприятни условия за подаване през тях на различни видове мажещо-охлаждащи агенти.

 

Инструментален материал и покрития
Съществува голямо разнообразие от инструментални материали, често - собствени разработки на големите инструментални производители, всеки от които има конкретна рационална употреба в зависимост от вида и физико-механичните свойства на обработвания материал, условията на рязане и т.н. Правилният избор на инструмент се подпомага от методическите указания в каталозите на фирмите и онлайн-калкулаторите.

Върху инструменталния материал се нанасят покрития. Предназначението на покритието е да повиши трайността на инструмента и подобри условията на рязане и стружкоотвеждане. Като материали за покритията се използват най-често титанов карбид TiC, титанов нитрид TiN, титанов карбонитрид TiCN и др. Покритията биват многослойни, многоелементни, многокомпонентни, композиционни, с различна дебелина.

Подобно на инструменталния материал, всяко покритие има своя област на използване. Например, титан-алуминиевият нитрид TiAlN е много подходящ за суха и квазисуха обработка, но при обилно впръскване на мажещо-охлаждаща течност ефективността му намалява.

Видове фрези и обработвани повърхнини
Цилиндрични фрези - цилиндричните фрези се използват при универсалните хоризонтални фрезови машини за обработване на равнини. Оста на инструмента е успоредна на обработваната повърхнина, а зъбите са разположени по цилиндричната част. Режещият ръб на зъба може да бъде прав или винтов. Фрезите с прави зъби се използват за обработване на сравнително тесни равнини.

Недостатъкът на правите зъби - ударите при врязване на зъба в заготовката - се отстранява при винтовите зъби. При тях врязването става постепенно и инструментът работи сравнително плавно, дава по-точни параметри на обработката, поради което приложението му в машиностроенето е достатъчно широко. Недостатък на фрезите с винтови зъби е голямата осова сила на рязане, която принципно се насочва към шпиндела.

Но тъй като това води до ускорено износване на лагерите му, се практикува уравновесяване на силата чрез установяване върху инструменталния дорник на две цилиндрични фрези с противоположен наклон на зъбите. Цилиндричните фрези се изработват от бързорежеща стомана. За повишаване на производителността, в зоната на режещата част може да се включи твърда сплав.

Челни фрези - те се използват за обработване на равнини върху вертикални фрезови машини. Режещите ръбове са разположени основно върху челната част на инструмента, чиято ос е перпендикулярна на обработваната повърхнина. В практиката се предпочитат челните фрези със сменяеми твърдосплавни пластини (много рядко със запоени) или монолитни фрези от бързорежеща стомана.

В сравнение с цилиндричната, челната фреза има по-голяма собствена коравина и в съчетание с високата режеща ефективност на твърдосплавните пластини осигурява много по-голяма производителност. Именно поради това за обработването на равнини се предпочита челното фрезоване.

От особена важност за условията на фрезоване е наклонът на главния режещ ръб, който се определя от главния установъчен ъгъл Kr (фиг. 3).

Фигура 3

Фрезите с главен установъчен ъгъл 45 градуса имат универсално приложение, приблизително равно съотношение между осовата и радиалната сила на рязане, ниско ниво на вибрации при голяма дължина на дорника, висока производителност.

При фрезите с главен установъчен ъгъл 90 градуса преобладава радиалната сила на рязане, поради което те са подходящи за фрезоване на тънкостенни и слабозакрепени детайли, на правоъгълни стъпала. Фрезите с кръгли пластини се характеризират с най-здрав режещ ръб и плавна работа. Съотношението радиална/осова сила на рязане се променя в зависимост от дълбочината на рязане.

Могат да се използват при врязване под ъгъл (рампинг) и са подходящи за високопроизводително снемане на голям обем материал. Фрезите с главен установъчен ъгъл 10 градуса формират предимно осова сила на рязане, което намалява склонността към вибрации и дава широки възможности за увеличаване на скоростта на снемане на материала. Могат да се използват за врезно (плунжерно) фрезоване с осово подаване.

При подходящ диаметър, брой на зъбите, инструментален материал и др., челните фрези могат да се използват за тежка груба обработка (на изковки, отливки, горещовалцувани заготовки и заварени детайли) върху голямогабаритни машини, от груба до получиста и чиста обработка.

Високо качество на чисто обработваната равнина може да се получи, ако заедно със стандартните пластини се монтират (малко по-ниско от стандартните) една или няколко Wiper пластини, специално пригодени за зачистване. Пластините Wiper могат да се използват при фрезоване на различни материали и позволяват увеличаване на подаването четири пъти без влошаване на качеството на обработваната повърхнина.

Фрези със сменяеми пластини и дълъг режещ ръб - използват се обикновено за груба високопроизводителна обработка на дълбоки стъпала. Могат да се използват и за контурно фрезоване (фиг. 4). Сменяемите пластини са разположени по винтова линия с голяма дължина и главен установъчен ъгъл от 90 градуса. В практиката са познати като „кукурузни” фрези. При работа пораждат значителни радиални сили и изискват голяма мощност от шпиндела.

Дискови фрези - това са дорникови фрези, които се изпълняват в два варианта - тристранни (с режещи ръбове по цилиндричната и двете челни повърхнини) и двустранни (по една от челните повърхнини). Използват се за обработване на стъпала, в това число дълбоки и праволинейни канали (с тристранни фрези) (фиг. 5).

При вертикално ориентиране на оста на фрезата могат да извършват фрезоване на отвори с кръгова или хеликоидална интерполация и фрезоване на чела от противоположната страна.

Отрезни фрези - подобни са по конструкция на дисковите фрези, но имат малка широчина, поради което са подходящи за отрязване и обработване на тесни вътрешни и външни канали. Изготвят се като монолитни, но предпочитани са изпълненията със сменяеми пластини. Известни са като “циркулярни фрези”.

Шпонкови фрези - изпълняват се като монолитни опашкови инструменти с режещи ръбове по цилиндричната и челната повърхнина. Позволяват осово врязване в материала, грубо и чисто обработване на затворен шпонков канал (фиг.6).

Фигура 6

Фрези за плунжерно врязване, врязване по винтова линия и под наклон - сменяемите пластини обикновено са квадратни със закръглени ъгли и са настроени на малък главен установъчен ъгъл. Широко приложение имат и кръглите пластини.

Използват се предимно за врезно (плунжерно) грубо фрезоване, а също така за високоскоростно челно фрезоване и цялостно обработване на джобове с плунжерно врязване, врязване по винтова линия и под наклон (фиг. 7).

Опашкови монолитни фрези с плоско чело - върху него са разположени челни зъби, които могат да са изпълнени по два важни за технологичните възможности начина. Ако челните зъби се пресичат, фрезата може да извършва осово врязване. Ако челните зъби не се пресичат - в централната част има освобождаване с определен диаметър, фрезата не може да се врязва осово.

Това трябва да се има предвид при програмиране на траекторията на движение на инструмента. 
Използват се за обработване на равнинни контури и в различни стратегии за груба обработка на обемно-профилни повърхнини. За получистата обработка на обемно-профилните повърхнини фрезата се изпълнява с радиусни закръгления на краищата.

Фрези със сферичен край - предназначението им е да извършат чистата обработка на обемно-пофилни повърхнини. Това са опашкови фрези, които могат да бъдат със сменяеми пластини и монолитни.

При кръгла форма пластината е една с център, лежащ върху оста на тялото на инструмента. Използват се за високоскростна чиста и финишна обработка. Инструментът може да бъде с голяма дължина с цел обработване на дълбоки джобове. Все по-често се използват фрези с две профилни сменяеми пластини, при които формата на режещия ръб е по винтова линия.

Фигура 8

Това гарантира плавно врязване и постепенно нарастване на силата на рязане. Едната пластина работи в централно, а другата в периферно положение.

Монолитните фрези са предимно с малки диаметри. Осигуряват много точна и високопроизводителна обработка, а някои от тях са разработени специално за високоскоростно рязане.

Опашкови фрези с особено малък работен радиус - използват се за дообработване на вътрешни закръгления с цел снемане на остатъчния материал, който не е било възможно да бъде отстранен при предходните обработки. Формата и заостреният край на инструмента напомнят външно молив, откъдето идва и популярното название “моливна фреза”.

Резбонарезни фрези - фрезоването на вътрешна резба е по-универсален метод от нарязването с метчик. Предимствата се определят от вида на резбонарезната фреза.
С единична режеща част: с една пластина могат да се обработват резби с различен диаметър и стъпка; силите на рязане са малки, което позволява работа с дълъг инструмент и обработване на тънкостенни детайли; подходящи са за дребносерийно производство с широка номенклатура на детайлите. Формирането на резбата се извършва чрез обикновена хеликоидална интерполация.

Фигура 9

С множествена режеща част (фиг. 9) (гребеновидна фреза): формирането на резбата става за един пълен оборот на инструмента (на 360 градуса); с един инструмент могат да се обработват резби с различен диаметър, но с една и съща стъпка. Конструктивно фрезата може да се комбинира с режеща част за оформяне на фаска.
Могат да се нарязват и външни резби.

Специални фрези - върху фрезовите машини могат да се използват специални фрези, чиито обхват на технологично приложение е ограничен. Към специалните могат да се отнесат фрезите за Т-образни канали, ъгловите фрези за направляващи тип ластовича опашка и други.

В зависимост от спецификата на производството, клиентът може да разполага с фрезов инструмент по своя поръчка. Специално изготвеният инструмент не притежава универсалност, но има предимството да осигурява висока точност и производителност при конкретни приложения.

Брой на зъбите zn
Броят на зъбите има голямо значение за процеса на фрезоване, тъй като позволява да се влияе върху хода и резултатите от рязането. С увеличаването на броя на зъбите нараства качеството на обработваната повърхнина (намалява се грапавостта), повишава се производителността, тъй като прибавката се снема по-бързо.

Но големият брой зъби, намиращи се едновременно в работа, повишава необходимата мощност за фрезоването. Това е от особено важно значение при грубите обработки, където дебелината на срязвания слой е голяма. Поради това върху машините с по-малка мощност се използват фрези с малък брой зъби, а най-голям брой зъби могат да имат фрезите, с които работят най-мощните машини.

Броят на едновременно работещите зъби влияе върху равномерността на натоварването на отделните зъби. Колкото по-постоянно като големина е натоварването, толкова по-висока е трайността на инструмента, толкова по-ниско е нивото на вибрациите и толкова по-високо е качеството на обработената повърхнина.

Стъпката на фрезата е разстоянието между съседните зъби и зависи от броя на зъбите zn. Обикновено всеки диаметър на фрезата се изпълнява в три варианта на стъпката - едра, нормална и ситна. Например, една фреза с диаметър D = 80 mm и едра стъпка може да има 4 зъба, с нормална - 6 зъба, със ситна - 8 зъба.

Експлоатация на фрезовия инструмент
Дорниковият инструмент се монтира върху базовата цилиндрична повърхнина на инструментодържача и движението се предава чрез шпонково съединение.
Монолитният инструмент с цилиндрична опашка се разполага в различни видове патронници на инструментодържачите. Начинът на монтиране трябва да гарантира висок момент на затягане (за да не превърта инструментът по време на рязане) и малко радиално биене на инструмента.

Най-широко разпространение имат три патронника - цангов, с хидропластово затягане и с термозатягане. Прилагат се за инструменти с цилиндрични опашки.
Цанговият патронник е добре познат от традиционното рязане. На всеки диаметър на опашката съответства даден типоразмер цанга. Инструментът се затяга чрез навиване на затягащата гайка.

Хидропластовото затягане се състои в деформирането на еластична затягаща втулка под действие на налягането на хидропласт, създавано от ръчно задвижван винт. Позволява работа с високи честоти на въртене. Благодарение на вътрешното триене на хидропласта, този вид затягане осигурява и демпфиране на вибрациите. Термозатягането е най-подходящо за използване при високи честоти на въртене.

Термопатронникът няма подвижни елементи. Действието му се основава на физическия ефект на разширяване на отвора му при нагряване, което позволява в него да се въведе инструментът. При охлаждане до изходната температура термопатронникът се свива, отворът му намалява диаметъра си и между термопатрона и режещия инструмент се създава голям затегателен момент.

Най-висока степен на затягане и минимално радиално биене предлага термозатягането, а най-неблагоприятни показатели - цанговото.

Балансирането на инструменталния комплект е задължителна стъпка от настройването на инструмента. Ако при конвенционалната обработка с честоти на въртене около 2000 min-1 това е препоръчително, при високоскоростната ротация с честота 10 000 min-1 балансирането е задължително, тъй като същият дебаланс предизвиква вече 25 пъти по-големи неуравновесени центробежни сили. Извършва се статично и динамично балансиране на целия инструментален комплект, т. е. режещият инструмент трябва да е затегнат предварително в инструментодържача.

Охлаждането и мазането на съвременния фрезов инструмент е три вида: с обилно впръскване на мажещо-охлаждаща течност (с различни стойности на дебита и налягането), сухо рязане с подаване на охладен въздух под налягане и квазисухо рязане, при което въздухът се смесва с минимални количества мажещо вещество (масло, естер). Във всички случаи трябва да се спазват изискванията на фирмата производител на инструмента за вида на охлаждането и техническите параметри на охлаждащия агент.

Преди въвеждане в зоната на рязане инструментът трябва да бъде настроен, измерен и инспектиран. Измерването може да стане върху измервателен уред извън машината, където той може да бъде и настроен. Настройването при инструмента със сменяеми пластини се състои в постигането на определено положение на режещите ръбове, например равновисочинност.

Измерването може да се проведе и върху самата машина с използване на измервателна глава. Целесъобразно е заедно с измерването да се установи целостта на всички зъби чрез функцията за броенето им. Инструментите с висок риск от счупване трябва да се инспектират автоматично и визуално за цялост преди всяко въвеждане в шпиндела. Състоянието на режещите ръбове следва периодично да се проверява с увеличителната функция на уреда за извънмашинно измерване.

Измерените стойности на износването трябва да бъдат компенсирани чрез алгоритмите на системата за управление и мониторинга на инструмента. При достигане на граничните стойности на износването, инструментът трябва да се извади от употреба и да се замени с инструмент-дубльор. В зависимост от характера на производството, критерии за граничното износване могат да бъдат броят на обработените детайли, реалното време за рязане в минути и размерното износване по дължина и диаметър.

доц. д-р инж. Пламен Угринов

Новият брой 8/2017

брой 8-2017

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

Top