Валентин Павлович Черкашин, канд. техн. наук.

ОАО «Объединенные машиностроительные технологии»

г. Москва.

Водилов Андрей Валерьевич, инженер-программист.

НИИ приборостроения им. В.В. Тихомирова.

г. Жуковский.

Email: an24ub@mail.ru

Концевая фреза является универсальным лезвийным инструментом и предназначена для обработки поверхностей, пазов, уступов деталей машин, а также для обработки рабочих, формообразующих поверхностей прессформ, штампов, копиров.

Общий недостаток стандартных фрез состоит в следующем. Торцовые режущие лезвия зубьев фрез изнашиваются ориентировочно в 2 раза быстрее по сравнению с боковыми режущими лезвиями. При переточке зубьев вместе с изношенными режущими лезвиями перетачиваются еще не изношенные и работоспособные боковые режущие лезвия. Это ведет к нерациональному расходованию дорогостоящих инструментальных материалов.

Эту проблему можно решить, используя концевую фрезу с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий [1-4].

Отличительной особенностью этой концевой фрезы состоит в том, что она кроме стандартных зубьев, имеющих боковые и торцовые лезвия, содержит специальные зубья, имеющие только торцовые режущие лезвия. Торцовые режущие лезвия специальных зубьев представляют собой упрочняющую фаску (или радиусную часть) с выходом на боковое режущее лезвие, которое обязательно имеет место (в том числе и для резерва при переточке зубьев по торцу); высота бокового режущего лезвия в специальных зубьях равна 4 – 8мм
[1-4 ].

Концевые фрезы с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий положительно показали себя в производственных условиях [1-4 ].

Фрезерованию органически присуще непостоянство площадей сечений срезаемого слоя и, следовательно, непостоянство окружной силы, что ведет к ухудшению чистоты, то есть к увеличению шероховатости обрабатываемой поверхности.

При фрезеровании концевыми фрезами с винтовыми зубьями в пределах поверхности резания некоторые зубья только вступают в работу резания, в то время как другие зубья выходят из резания; то есть в контакте с обрабатываемой поверхностью практически всегда находится несколько режущих зубьев фрезы. Путем выбора режимов резания (в которых основную роль играет ширина фрезерования) и параметров конструкции фрезы (диаметров, угла наклона винтовых зубьев) можно получить условия, при которых окружная сила на фрезе будет постоянной, то есть суммарная площадь сечений срезов будет постоянной. В этом случае имеет место равномерное фрезерование.

Равномерное фрезерование, в основном, приемлемо для реализации в массовом производстве. При других видах производства существует меньше возможностей получить равномерное фрезерование. Но в любом случае нужно определять величину неравномерности фрезерования, характеризуемой величиной К = Рмин/Рмакc, где Рмин,Рмакc, соответственно, минимальная и максимальная окружная сила, и оценивать возможность ее увеличения. При автоматизированном производстве (не массовом) концевое фрезерование сосредоточено в основном на станках с ЧПУ. При работе на станках с ЧПУ часто изменяются режимы резания, в том числе и ширина фрезерования, не только из-за обработки большого количества различных деталей, но и из обработки различных по форме поверхностей в одной детали; поэтому все время изменяется величина К = Рмин/Рмакс.

Концевая фреза с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий может быть спроектирована в различных конструктивных вариантах.

Наиболее технологичной и наиболее удобной для внедрения является фреза с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий, cпроектированная на базе стандартной фрезы с тем же общим числом зубьев, в которой половина зубьев является специальными, рис.1. Для проведения натурных испытаний можно вообще не изготавливать новую фрезу, а сделать ее из стандартной путем переточки (с помощью абразивного инструмента) половины стандартных зубьев в специальные. Cтойкость этой фрезы такая же, как у стандартной.

Концевая фреза с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий может быть выполнена на базе стандартной фрезы, в которой в торцовой части фрезы дополнительно установлены в прорезанные пазы и припаяны специальные режущие зубья, рис.2. Общее число зубьев в этом варианте исполнения увеличивается в 2 раза. Заштыбовки стружки в торцовой части фрезы не происходит. Наличие винтовых стружечных канавок содействует тому, что стружка поднимается верх на сравнительно небольшую высоту С, равную высоте бокового режущего лезвия специального зуба, и сразу попадает в зону работы стандартных зубьев. Заметим, что в торцовой части фрезы масса стружки не изменяется (при тех же режимах резания), а стружка становится более мелкой.

Анализ неравномерности фрезерования изложен для концевой фрезы с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий, спроектированной на базе стандартной фрезы при общем числе зубьев Z=6, числе стандартных зубьев Z1=3,числе специальных зубьев Z2=3 (рис.1), а также при общем числе зубьев Z=12, числе стандартных зубьев Z1=6,числе специальных зубьев Z2=6(рис.2). Диаметр фрезы d=50мм, высота специальных зубьев С=8мм, угол наклона винтовых зубьев фрезы ω = 40°.Режимы резания: ширина фрезерования В=36мм; подача на оборот S=0,72мм/об; подача на зуб S1= 0,12мм/зуб; скорость резания V=110 м/мин; глубина фрезерования t=25 мм. Обрабатываемый материал сталь 40Х ГОСТ435432-71, 241 -285 НВ.

Заметим, что при общем числе зубьев Z=12, Z1=6, Z2=6 дальнейшее увеличение высоты C возможно только при определенных технологических требованиях с учетом отсутствия заштыбовки стружки в торцовой части фрезы.

На рис.1 представлена концевая фреза с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий, имеющая Z=6, Z1=3, Z2=3:

• 1 – корпус концевой фрезы;
  
• 2.1,2.2,2.3 – cтандартные зубья;
  
• 3.1,3.2,3.3-cпециальные зубья;
  
• 4 – обрабатываемая деталь;
  
• 5- cхема сечений стружек, cнимаемых стандартными зубьями;
  
• 6- cхема сечений стружек, cнимаемых специальными зубьями;
  
• Н-высота режущей части фрезы;
  
• В- ширина фрезерования;
  
• С –высота специальных зубьев; a –размер упрочняющей фаски.
  

На рис.2 представлена концевая фреза с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий, имеющая Z=12, Z1=6, Z2=6:

• 1– корпус концевой фрезы;
  
• 2.1,2.2,2.3,2.4,2.5,2.6 – cтандартные зубья;
  
• 3.1,3.2,3.3,2.4,2.5,2.6 -cпециальные зубья;
  
• 4 – обрабатываемая деталь;
  
• 5- схема сечений стружек, cнимаемых cстандартными зубьями;
  
• 6- схема сечений стружек, cнимаемых специальными зубьями;
  
• Н-высота режущей части фрезы;
  
• В- ширина фрезерования;
  
• С –высота специальных зубьев;
  
• a –размер упрочняющей фаски (изменением a можно устранять появление нарушения равностойкости).
  

На рис.3 представлен график взаимосвязи значения среза от угла поворота фрезы на поверхности резания MN (вид сверху):

• М – начало поверхности резания;
  
• N –конец поверхности резания;
  
• S –максимальное значение cреза;
  
• Si –текущее значение cреза;
  
• γi – текущий угол поворота фрезы;
  
• d-диаметр фрезы, представляющий собой диаметр удлиненной циклоиды;
  
• d1 -диаметр обыкновенной циклоиды;
  
• обозначение вершин и физический смысл прямоугольника АБС см. в тексте.
  

При работе фрезы точки на вершинах боковых режущих лезвий, cрезающих металл с обрабатываемой поверхности, описывают удлиненную циклоиду и находятся на радиусе r=0,5d. Но в циклоиде имеется окружность радиуса r1, которая катится без скольжения по прямой, проходящей через центр окружности диаметра d. Все точки на окружности радиуса r1=0,5 d1 описывают обыкновенную циклоиду. Условием отсутствия скольжения точек на окружности радиуса r1, является то, что путь S1,пройденный центром фрезы (в течении одного углового шага) равен развертке окружности радиуса r1, то есть S1=2 π r1, где S1-величина подачи (мм/зуб).

Таким образом уравнение циклоиды имеет вид.

x=0,5d (γi- π)-0,5 (S1/ π) Sin(γi- π),

y=0,5d-0,5 (S1/ π) Cos(γi- π).

На рис.3 видно, что текущее значение среза равно Si=S1۔ Sin γi, где γi- текущий угол поворота фрезы; S- величина подачи, которая характеризует максимальную толщину среза; Si-текущее значение толщины среза, соответствующая текущему углу поворота фрезы. То есть линии графиков срезов имеют синусоидальный характер. На рис.4 и рис.5 эти графики выполнены прямыми линиями, так как отклонение синусоиды от прямой незначительное. В данном примере это отклонение не превышает 0,022мм. На рис.3 в прямоугольном треугольнике АБВ сторона АБ равна Si, сторона АВ равна S, угол АВБ равен углу γi (взаимная перпендикулярность сторон).

Рис.1.

Рис.2.

Число одновременно работающих зубьев фрезы в сечении, перпендикулярном оси фрезы, на высоте С для фрезы с Z=6 равно Z` = ψ /Q=1,5 зуба, где ψ = 90°- угол контакта фрезы с заготовкой; Q=360°/Z =360°/6 =120° – угловой шаг зубьев. Число одновременно работающих зубьев на высоте большей С равно Z“ = 0,75, так как число зубьев в 2 раза меньше.

Число одновременно работающих зубьев фрезы в сечении, перпендикулярном оси фрезы, на высоте С для фрезы с Z=`12 равно Z` = ψ /Q=3 зуба, где ψ = 90°- угол контакта фрезы с заготовкой; Q=360°/Z =360°/12=30° – угловой шаг зубьев. Число одновременно работающих зубьев на высоте большей С равно Z“ = 1,5, так как число зубьев в 2 раза меньше.

Величины Z`и Z“являются характеристикой числа одновременно работающих зубьев в плоскости перпендикулярной оси фрезы без учета винтового характера зубьев.

В работе [5 ] приведены уравнения для расчета неравномерности фрезерования стандартны концевых фрез.

Концевая фреза с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий отличается от стандартной тем, что размеры сечений срезаемого слоя формируются стандартными и специальными зубьями, имеющими разную высоту, причем на участке высотой С фреза имеет в 2 раза больше зубьев, чем на участке большем С. В данной статье неравномерность фрезерования определялось на ЭВМ с помощью специально разработанной программы на языке программирования QBASIC, базирующейся, при конкретной ширине фрезерования В и глубине фрезерования t, на определении суммарных площадей срезов на поверхности резания при каждом конкретном угле поворота фрезы.

На рис.3 показана (вид сверху) поверхность резания MN (для фрезы Z=6,Z=3,Z=3). На рис.4 показана (вид спереди) развертка поверхности резания MNM1N1 (для фрезы Z=6,Z=3, Z=3). Для анализа площадей сечений срезов на развертке поверхности MNM1N1 (рис.4) вычисляются на ЭВМ графики сечений срезов и определяются площади сечений этих графиков.

На рис.4, в качестве примера, показаны на развертке поверхности MNM1N1 графики сечений срезов через каждые 30° (0°;30°;60;90°); графики на ЭВМ вычисляются через каждые 5°.

Зуб 2.1, вступающий в резание при 0° (при нулевой толщине среза) имеет при угле поворота 90° максимальную толщину среза.

На рис.4 представлены графики сечений срезов концевой фрезой с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий, имеющих число зубьев Z=6,Z=3,Z=3 Z=6,Z=3,Z=3):

• MNM1N1 – развертка поверхности резания;
  
• В – ширина фрезерования;
  
• L – длина развертки поверхности резания;
  
• С – высота специального зуба.
  

На рис.4а:

• 2.1- график сечения среза стандартным зубом 2.1(рис.1);
  
• 3.1 – график сечения среза специальным зубом 3.1(рис.1).
  

На рис.4б:

• 2.1- график сечения среза стандартным зубом 2.1(рис.1).
  

На рис.4в:

• 3.1- график сечения среза специальным зубом 3.1(рис.1);
  
• 2.1 – график сечения среза стандартным зубом 2.1(рис.1).
  

Рис.4

Рис.5

На рис.4г:

• 2.2- график сечения среза стандартным зубом 2.2(рис.1);
  
• 3.1 – график сечения среза специальным зубом 3.1(рис.1);
  
• 2.1- график сечения среза стандартным зубом 2.1(рис.1).
  

Анализ графиков показывает, что площади сечений срезов в зависимости от угла поворота фрезы в пределах углового шага изменяются в 3,2 раза, то есть отношение:

Рмин/Рмакс = 1/3,2 =0,31.

Фрезерование здесь неравномерное. Наименьшая величина К имеет место при повороте фрезы на 0,5 углового шага.

Шероховатость обрабатываемой поверхности в 1,5 – 1,8 раза больше, чем у стандартных фрез [1-4 ]. Но для получистового фрезерования это приемлемо, так как шероховатость обрабатываемой поверхности находится по ГОСТ 2789-73 в пределах от 5-го класса (Rz=10-20мкм) до 4-го класса (Rz=20-40мкм), что соответствует получистовому фрезерованию [ 6 ].

Шероховатость определялась с помощью эталонов шероховатости.

Концевая фреза с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий с числом зубьев Z=12,Z1=6,Z2=6 имеет равномерное фрезерование, как и стандартная фреза. Шероховатость обрабатываемой поверхности ориентировочно такая же, как у стандартной фрезы.

На рис.5 представлены графики сечений срезов концевой фрезой с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий, имеющей число зубьев Z=12,Z1=6,Z2=6:

• MNM1N1 – развертка поверхности резания;
  
• В – ширина фрезерования;
  
• L –длина развертки поверхности резания;
  
• C –высота специального зуба.
  

На рис.5а:

• 2.1- график сечения среза стандартным зубом 2.1(рис.2);
  
• 3.6- график сечения среза специальным зубом 3.6(рис.2);
  
• 2.6- график сечения среза стандартным зубом 2.6(рис.2);
  

На рис.5б:

• 2.2- график сечения среза стандартным зубом 2.2(рис.2);
  
• 3.1- график сечения среза специальным зубом 3.1(рис.2);
  
• 2.1- график сечения среза стандартным зубом 2.1(рис.2);
  
• 3.6- график сечения среза специальным зубом 3б(рис.2).
  

На рис.5в:

• 2.2- график сечения среза стандартным зубом 2.2(рис.2);
  
• 3.1- график сечения среза специальным зубом 3.1(рис.2);
  
• 2.1- график сечения среза стандартным зубом 2.1(рис.2).
  

На рис.5г:

• 2.3- график сечения среза стандартным зубом 2.3(рис.2);
  
• 3.2- график сечения среза специальным зубом 3.2(рис.2);
  
• 2.2- график сечения среза стандартным зубом 2.2(рис.2);
  
• 3.1 -график сечения среза специальным зубом 3.1(рис.2).
  

Для анализа площадей сечений срезов на развертке поверхности резания MNM1N1 (рис.5) вычисляются графики сечений срезов и определяются площади сечений этих графиков. На рис.5 в качестве примера показаны на развертке поверхности резания MNM1N1 графики сечений срезов через каждые 30°;(0°;30°;60°;90°). Зуб 2.1, вступающий в резание при 0°(при нулевой толщине среза) имеет при угле поворота 60° максимальную толщину среза. При угле поворота 90° этот зуб уже вышел из резания.

Анализ графиков показывает, что площади сечений срезов в зависимости от угла поворота фрезы, имеющий Z=12,Z1=6,Z2=6, в пределах углового шага практически не изменяется, то есть отношение Рмин/Рмакс = 1. Фрезерование здесь равномерное.

На рис.6 представлена нагруженная твердотельная модель, имеющая Z=6,Z1=3,Z2=3в системе координат ZXY и со шкалой деформации (в мм). Твердотельная модель выполнена по программе SoltWorks и учитывает все конструктивные параметры реальной конструкции. Нагружение модели, то есть получение напряженно-деформированного состояния модели производилось по программе Cosmos c модулем Deformation. Увеличение шероховатости обрабатываемой поверхности проявляется за счет деформации тела фрезы; кривая деформации режущих лезвий фрезы имеет наибольший изгиб при приближении к торцовой части фрезы. Из рис.6 видно, что наибольшая деформация, которая определяет шероховатость обрабатываемой поверхности, cоставляет 0,1675мм=16,75 мкм, то есть шероховатость находится в пределах 5-го класса, и соответствует получистовому фрезерованию.

На рис.7 представлена нагруженная твердотельная модель, имеющая Z=12,Z1=6,Z2=6 в системе координат ZXY и со шкалой деформации (в мм). Из рис.7 видно, что наибольшая деформация, которая определяет шероховатость обрабатываемой поверхности, составляет 0,0067 мм =6,7 мкм, то есть шероховатость находится в пределах 6-го класса и соответствует чистовому фрезерованию.

Заметим cследующее. При изменении ширины фрезерования В или глубины фрезерования t равномерность фрезерования нарушается. Поэтому равномерное фрезерование в условиях, отличных от массового производства, может иметь место только при определенных условиях. Такие условия несложно подобрать в массовом производстве, где можно оперировать не только режимами резания, но и конструктивными параметрами фрез.

Но все равно в условиях производства отличного от массового необходимо оценивать возможность уменьшения неравномерности, то есть увеличения К, а при возможности и приближаться к равномерному.

Рис.6

Рис.7

ВЫВОДЫ

Концевая фреза с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий с Z=6, Z1=3, Z2=3 имеет неравномерное фрезерование. Шероховатость обрабатываемой поверхности в 1.5-1,8 раза выше по сравнению со стандартными фрезами, находится в интервалах 4-го – 5-го классов шероховатости, что приемлемо для получистового фрезерования. Эта фреза наиболее технологичная в изготовлении и для внедрения практически не требует производственных затрат. Стойкость этой фрезы такая же , как у стандартных фрез.

Концевая фреза с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий с Z=12 ,Z1=6, Z2=6 имеет равномерное фрезерование и имеет такую же шероховатость обрабатываемой поверхности, как и стандартные фрезы. Стойкость этой фрезы в 2 раза больше, чем у стандартной. Эта фреза для внедрения требует определенные изменения в технологию ее изготовления. В связи с введением в конструкцию фрезы новых (специальных) зубьев, эти зубья должны иметь такую же геометрию, как и стандартные и должны определенным образом быть ориентированы относительно стандартных. Разные величины ω у специальных зубьев и у стандартных зубьев могут быть только в технологически обоснованных случаях.

После переточки (при затуплении) специальные и стандартные зубья должны иметь возможность дальнейшей совместной работы и поэтому должны сохранять одинаковый угловой шаг и одинаковый наружный диаметр.

Библиография

1. Черкашин В.П. Концевая фреза с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий// Вестник машиностроения.-2008.- №11.-C.53-55.
   
2. Черкашин В.П. Концевая фреза с раздельной схемой обработки// СТИН. 2009.- №12.-C.17-19.
   
3. Южин В.И., Черкашин В.П., Дворянинов Д.С. Проектирование движителей механизмов подач с учетом технологии изготовления их зубчатых колес// Горное оборудование и электромеханика.-2009.- №11.-C.12-16.
   
4. Черкашин В.П., Дворянинов Д.С. Концевая фреза с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий для обработки звезд движителей механизмов подач// Сборник научных трудов семинара «Современные технологии в горном машиностроении».-МГГУ. 2011. C.199 – 211.
   
5. Грановский Г.И., Грановский В.Г. Резание металлов.- М: Машиностроение. 1969.-288c.
   
6. Справочник металлиста. В 5 т. // Е.Д. Баклунов, А.К.Белопухов,М.И. Жебин и др.: Под ред. А.Н. Малова.- М .: Машиностроение.1977. Том 3.-748c.
   

Валентин Павлович Черкашин, канд. техн. наук.

ОАО «Объединенные машиностроительные технологии»

г. Москва.

Водилов Андрей Валерьевич, инженер-программист.

НИИ приборостроения им. В.В. Тихомирова.

г. Жуковский.

Email: an24ub@mail.ru

Концевая фреза является универсальным лезвийным инструментом и предназначена для обработки поверхностей, пазов, уступов деталей машин, а также для обработки рабочих, формообразующих поверхностей пресс-форм, штампов, копиров.

Общий недостаток стандартных фрез как показывает опыт эксплуатации, наблюдения и замеры состоит в следующем. Торцовые режущие лезвия зубьев фрез изнашиваются ориентировочно в 2 раза (в 1,7 – 2,6 раза) быстрее по сравнению с боковыми режущими лезвиями. Боковые режущие лезвия работают в условиях свободной схемы резания. Торцовые режущие лезвия работают в условиях несвободной схемы резания; трение здесь выше и температура резания на 25 -35% выше. При температуре резания на торцовых режущих лезвиях до 500 °С температура резания практически не оказывает влияние на износ режущих лезвий и износ торцовых режущих лезвий ориентировочно в 2 раза выше. При температуре резания выше 500 °С до 750 °С износ торцовых режущих лезвий ориентировочно в 1,7 раза меньше, так как с увеличением температуры резания уменьшается адгезионный износ. При температуре резания выше 750 °С износ торцовых режущих лезвий увеличивается и становится больше в 2 -2,6 раза износа боковых режущих лезвий, так как торцовые режущие лезвия входят в режим диффузионного износа. Отрицательное влияние на стойкость оказывает также неравномерность температуры на торцовых режущих лезвиях, так как температура при рабочем ходе, которая равна или выше 750°, при нерабочем ходе уменьшается на 40-50%.

Таким образом, износ торцовых режущих лезвий всегда выше износа боковых режущих лезвий.

При переточке зубьев вместе с изношенными режущими лезвиями перетачиваются еще не изношенные и работоспособные боковые режущие лезвия. Это ведет к нерациональному расходованию дорогостоящих инструментальных материалов.

Эту проблему можно решить, используя концевую фрезу с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий [1-6].

Отличительной особенностью этой концевой фрезы состоит в том, что она кроме стандартных зубьев, имеющих боковые и торцовые лезвия, содержит специальные зубья, имеющие только торцовые режущие лезвия. Торцовые режущие лезвия специальных зубьев представляют собой упрочняющую фаску (или радиусную часть) с выходом на боковое режущее лезвие, которое обязательно имеет место (в том числе и для резерва при переточке зубьев по торцу); высота бокового режущего лезвия специальных зубьев при фрезеровании обычных машиностроительных сталей и труднообрабатываемых сталей зубьях равна 4 – 8 мм
[1- 6].

Концевые фрезы с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий положительно показали себя в производственных условиях [1-6 ].

В работах [1-6] концевая фреза с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий работала при фрезеровании обычных машиностроительных сталей (сталь 45 НВ 180-217, сталь40Х НВ2431-285 ГОСТ4543-71 ), а также труднообрабатываемых сталей(сталь 40XН2МА,18Х2Н4МАНВ 300-320 ГОСТ 4543-71), когда получается стружка скалывания [7]. Стружка скалывания [7] имеет два вида: элементную стружку и суставчатую стружку. Элементная стружка состоит из отдельных фрагментов приблизительно одинаковой формы, слабо соединенных между собой c четко обозначенными плоскостями скалывания. Стружка имеет внешне вид непрерывной ленты,

но при соприкосновении с твердым препятствием сразу рассыпается на отдельные фрагменты. Суставчатая стружка также состоит из отдельных фрагментов, но плоскости скалывания только наметились и фрагменты, составляющую стружку рассыпаются только при некотором усилии; например, при недостаточном пространстве в стружечной канавке суставчатая стружка не деформирует, а рассыпается.

Заметим, что нами не рассматривается вид стружки надлома, которая образуется при фрезеровании хрупких металлов, например чугуна, и рассыпается сразу в зоне резания.

При фрезеровании металлов, дающих стружку скалывания заштыбовки стружки в торцовой части фрезы не происходит, так как стружка рассыпается на мелкие фракции, что позволяет легко им удаляться из зоны резания. Наличие винтовых стружечных канавок содействует тому, что стружка поднимается верх на сравнительно небольшую высоту С, равную высоте бокового режущего лезвия специального зуба, и сразу попадает в зону работы боковых режущих лезвий стандартных зубьев.

Но при обработке мягких и вязких металлов (сталь 08 НВ110-150, сталь 10 НВ137-160, сталь 20 НВ123-167,сталь 30 НВ143-170 ГОСТ4543-71) получается сливная стружка. Сливная стружка имеет форму сплошной ленты, при недостатке пространства в стружечной канавке она сильно деформируется, застревает в этой канавке, но не распадается. Cтружка будет оставаться в зоне резания, подвергаться циркуляции и повторному резанию. Учитывая, что стружка может иметь твердость больше, чем обрабатываемый материал (из за нагрева во время резания, наклепа, деформации и закаливанию) при повторном резании создаются условия для поломки режущих зубьев фрезы. Внешний видимый признак заштыбовки стружки – застревание стружки между зубьями в торцовой части фрезы, где находятся и стандартные и специальные режущие лезвия.

Поэтому при
фрезеровании мягких и вязких металлов для отсутствия заштыбовки стружки концевой фрезой с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий необходимо произвести анализ по изменению параметров стружкоотвода фрезы.

Стружкоотвод это комплекс конструктивных элементов: стандартных зубьев, специальных зубьев определенной высоты, стружкоразделительных канавок, стружечных канавок между стандартными зубьями, стружечных канавок между стандартными и специальными зубьями. Cтружкоотвод выполняет функцию отвода из зоны резания стружки определенной формы и определенных размеров (ширины и длины).

Данная работа имеет такое же отношения для исследования и внедрения концевой фрезы с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий, как и работы [ 5,6].

На рис.1 представлена концевая фреза с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий, имеющая общее число зубьев Z = 12, стандартное число зубьев Z1 = 6, специальное число зубьев Z2 = 6:

1–корпус концевой фрезы; 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6 – стандартные зубья; 3.1, 3.2, 3.3, 2.4, 2.5, 2.6 – специальные зубья; 4 – обрабатываемая деталь; 5- схема сечений стружек, снимаемых стандартными зубьями; 6- схема сечений стружек, снимаемых специальными

зубьями; 7 – cтружкоразделительная на режущем лезвии стандартного зуба на высоте С (с определенным перекрытием); М 2.1-3.1 – стружечная канавка между специальным зубом 3.1 и отстающим зубом 2.1 на высоте фрезы, меньшей С; N 3.1-2.6 – стружечная канавка между специальным зубом 3.1 и опережающим стандартным зубом 2.6 на высоте фрезы, меньшей С; F2.1-2.6 – cтружечная канавка между стандартными зубьями 2.1 и 2.6 на высоте фрезы, большей С; Н- высота режущей части фрезы; В –ширина фрезерования.

Расположение специальных зубьев 3 (3.1-3.6) относительно стандартных зубьев 2(2.1-2.6) может быть симметричным, а может быть и не симметричным. Несимметричное расположение при определенных сочетаниях Z и ω может улучшить стружкоотвод между специальным зубом и идущим впереди стандартным зубом, увеличивая размер стружечной канавки.

Стружечная канавка – это пространство (выемка) между двумя зубьями, ограниченное твердосплавной режущей пластиной с одной стороны и затылочной частью (спинкой) с другой стороны для размещения и      отвода стружки. Поверхность стружечной канавки должна быть очищена от следов пайки паяного соединения специальных зубьев с корпусом фрезы [5]. Стружка, выходя из зоны резания укладывается в винтовую стружечную канавку и транспортируется.

Наличие стружкоразделительной канавки 7 делает специальные зубья и торцовые режущие лезвия стандартных зубьев равнозначными по условию стружкоотвода.

Стружкоразделительная канавка – это канавка на режущем лезвии для разрезания стружки на полосы, на небольшие участки по ширине. Небольшие участки стружки более транспортабельны при перемещении по винтовым стружечным канавкам, выполняющих роль транспортирующего устройства, и способствуют лучшей эвакуации стружки из зоны

резания.

При фрезеровании имеет место прерывистое резание, так как каждый зуб фрезы, вступая в контакт с обрабатываемой заготовкой, снимает свой определенный слой металла; поэтому стружка становится более короткой, чем при токарной обработке. Однако закономерности образования стружки являются общими; при фрезеровании встречаются все виды стружек, характерных для точения.

Фрезеровались стали 08, сталь 10, сталь 20, cталь 30, которые при типовых режимах резания [8] (скорости резания V=110-180 м/мин, подаче S=0,36-0,72 мм/об, величине переднего угла γ = 0°) дают сливную стружку. Подчеркнем, что эти стали весьма распространенные в общем машиностроении. Из них изготавливаются валки, тяги, рамы, элементы сварных конструкций.

При изменении режимов резания можно получить другие виды стружек. При скорости резания V = 50 м/мин, подаче S = 0,2 мм/зуб получается нетипичная суставчато-сегментная стружка. По форме эта стружка напоминает суставчутую и состоит из отдельных, отделяющихся друг от друга, разрушающаяся при приложении усилия, фрагментов. Но эта стружка неравномерно и сильно деформирована, на поверхности стружки имеются впадины и вмятины, имеются местные утолщения и разрывы. При скорости резания V = 100 м/мин, подаче S = 0,2 мм/зуб стружка из суставчато-сегментной переходит в сливную.

При скорости резания V = 50 м/мин, подаче S = 0,15 мм/зуб в стружке также намечается тенденция перехода из суставчато-сегментной переходит в сливную, но но это тенденция незначительная.

Таким образом при фрезеровании мягких и вязких сталей получается практически всегда сливная стружка и получить стружку сегментную для того, чтобы улучшить стружкоотвод не всегда возможно; к тому же это связано с неблагоприятными условиями для работы инструмента и снижением его ресурса.

Увеличение ширины фрезерования и глубины фрезерования практически не влияет на форму стружки, но изменяет размеры стружки. Применение стружкоразделительных канавок на режущей части лезвий специальных зубьев и режущей части торцовых лезвий стандартных зубьев, которые будут выполнять роль измельчителя стружки, приводит к технологическому усложнению изготовления фрезы. При этом следует также подчеркнуть, что стружкоразделительные канавки будут резать на мелкие полосы стружку по ширине, а длина меняться не будет. Наибольшая ширина фрезерования равна длине режущей части фрезы (для фрезы d = 50 мм длина режущей части стандартных зубьев равна 38 мм, специальных зубьев равна 4-8 мм [1-6]). При фрезеровании стружки при угле обхвата γ0 = π /2 длина стружки будет равна π·d/ 4 = 39,3 мм. Длина стружки увеличивается в два раза и увеличивает трудности при ее эвакуации при фрезеровании закрытых профильных пазов [9].

Высота подъема стружки для d = 50 мм при угле обхвата γ0 = π /2 угле наклона винтовых стружечных канавок ω= 40° за рабочий ход зуба:

Н’ = 0,5· d· γ0· tg(ω)· Sin (π-
ω) =25,2 мм.

При угле поворота фрезы на один угловой шаг при Z = 12 высота подъема стружки:

Н” = 0,5· d· (2 π/Z) · tg(ω)· Sin (π-
ω) =8,4 мм.

Наиболее целесообразным и технологически рациональным является уменьшение высоты специальных зубьев и определение такой высоты, при которой заштыбовки стружки не будет при фрезеровании мягких и вязких металлов.

Наибольшая высота специальных зубьев, при которой заштыбовки стружки не будет происходить, находится аналитическим путем. На рис.2 представлена развертка винтовых линий зубьев концевой фрезы с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий.

На рис.2: 2.1 и 2.6 – стандартные зубья; 3.1 –специальный зуб; F 2.1-2.6 – стружечная канавка между зубьями 2.1 и 2.6; М 2.1-3.1 – cтружечная канавка между стандартным зубом 2.1 и специальным зубом 3.1; М 3.1-2.6 – cтружечная канавка между специальным зубом 3.1 и стандартным зубом 2.6; 2.1р – вершина режущего лезвия стандартного зуба2.1; 3.1р –вершина режущего лезвия стандартного зуба 3.1; 7 – стружкоразделительная канавка; T –

окружной шаг фрезы.

Линия А1- А2 – линия, перпендикулярная вершине лезвия 2.1р, по которой в начальный момент сходит стружка и которая, затем касаясь передней поверхности зуба 2.1, удаляется от этой поверхности. Встречаясь с поверхностью стружечной канавки стружка деформирует, скручивается, укладывается в стружечную канавку и транспортируется вверх по этой канавке вверх под действием того напорного усилия, которое имеет стружка, выходя из зоны резания. Если стружечная канавка расположена между двумя стандартными зубьями 2.1 и 2.6 , которое имеет место выше высоты С, то в этой стружечной канавке заштыбовки стружки не происходит, так как здесь достаточно места для размещения стружки. На рис.1 и на рис.2 такая стружечная канавка F 2.1-2.6 показана между зубьями 2.1 и 2.6. Если стружечная канавка расположена между торцовой частью стандартного зуба, расположенного ниже высоты С, отделенного от той части зуба, которое находится выше С стружкоразделительной канавкой 7, и специальным зубом, то здесь пространство стружечной канавки небольшое и при большой высоте специального зуба может происходить заштыбовка стружки. На рис.1 и на рис.2 такая стружечная канавка М 2.1-3.1 показана между стандартным зубом 2.1 и специальным зубом 3.1, а также

стружечная канавка N 3.1-2.6 показана между cпециальным зубом 3.1 и стандартным 2.6.

Поэтому специальные зубья должны иметь небольшую высоту найденную опытным путем или в результате расчета.

На основании рис.2 выведена формула для расчета высоты специальных зубьев, при которой заштыбовки стружки происходить не будет.
Сливная стружка сходит
с вершины режущего лезвия 2.1р, затем касается передней поверхности лезвия 2.1 и деформируя в кольцеобразную форму удаляется от этой поверхности до встречи с поверхностью стружечной канавки. Причем нижняя часть стружки перемещается приблизительно по плоскости А1-А2, проходящей под углом π-
ω к торцовой плоскости фрезы. Расчетная высота специального зуба C, при которой не будет заштыбовки стружки находится из геометрических параметров рис.2, исходя из условия, что линия А1- А2 касается специального зуба не пересекая его.

Величина С находится из формулы:

С= (π · d / Z) – B1 / Sin ω
) / (tg(π-
ω)+ tg(ω) ),

где: d – диаметр фрезы; Z – общее число зубьев фрезы; B1 – толщина твердосплавной режущей пластины; ω
– угол наклона винтовых стружечных канавок фрезы.

Но высоту зуба специального в ряде случаев целесообразно увеличить, например, для увеличения равномерности фрезерования, увеличения прочности паяного шва к корпусу фрезы или для увеличения сопротивляемости специальных зубьев температуре резания.

Увеличенная высота специального зуба С0 > С находится опытным путем. Нахождение опытным путем, естественно, учитывает конкретные условия резания, марки материала, термообработки и твердости материала, инерционной составляющей стружки, зависящей от массы стружки и числа оборотов фрезы, коэффициентов трения стружки о стенки стружечной канавки, пластических свойств обрабатываемого материала, величины износа инструмента, усадки стружки.

В производственных условиях для концевой фрезы с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий диаметром d = 50 мм, общем числе зубьев Z = 12, числе стандартных зубьев Z2 = 6, числе cпециальных зубьев Z3 = 6 обрабатывалась сталь 20 НВ123-167. Ширина фрезерования В = 38мм, угол наклона стружечных канавок ω = 40°, скорость резания V=130м/мин, глубина фрезерования t=12,5мм, величина подачи S=0,72мм/об. Материал твердосплавных пластин Т15К6, передний угол режущих лезвий γ= 0°, зубья фрезы среднеизношенные с величиной износа по задней поверхности f=0,2мм при допустимом износе fдоп = 0,3-0,5мм. Фрезерование производилось без применения смазочно-охлаждающих жидкостей на вертикально фрезерном станке модели 6М13П. Фрезерование попутное, то есть каждое режущее лезвие начинает работать с нулевой толщины среза.

Опытным путем в производственных условиях была получена высота специального зуба С0 = 5.0 – 6,2 мм; средняя высота С0.ср = 5.6 мм. При высоте специальных зубьев, равных 9 мм фреза работает неудовлетворительно, c частой заштыбовкой стружки. При уменьшении высоты (путем срезания части твердосплавной пластины специальных зубьев абразивным инструментом) до С0 = 5.0 – 6,2 мм работа фрезы нормализуется.

Величина С, при которой отсутствует заштыбовка стружки при расчете по формуле на основании рис.2, равна С = 3,2.

При высоте специального зуба, найденной опытным путем и равной С0.ср = 5.6 мм, стружка, сходящая с лезвия 2.1р стандартного зуба (при анализе на основании рис.2) встречается на своем пути со специальным зубом, деформирует, сминается, отклоняется от этого зуба и попадает в стружечную канавку F 2.1-2.6.

Расчетные значения С и значения С0.ср полученные опытным путем приведены в таблице 1.

Таблица 1

Выводы

При фрезеровании концевой фрезой с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий мягких и вязких металлов, дающих сливную стружку, для улучшения стружкоотвода целесообразно уменьшать высоту специальных зубьев для того, чтобы не было заштыбовки стружки. Найденная расчетом наибольшая высота специальных зубьев, при которой отсутствует заштыбовка стружки, равна С. Увеличенные высоты специальных зубьев С0.ср, которые нужны в тех случаях, когда необходимо увеличение равномерности фрезерования, увеличения прочности паяного шва к корпусу фрезы или увеличения сопротивляемости специальных зубьев температуре резания, получены опытным путем для типовых вариантов концевых фрез.

Библиография

1. Черкашин В.П. Концевая фреза с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий// Вестник машиностроения.-2008.- №11.-C.53-55.
   
2. Черкашин В.П. Концевая фреза с раздельной схемой обработки// СТИН. 2009.- №12.-C.17-19.
   
3. Южин В.И., Черкашин В.П., Дворянинов Д.С. Проектирование движителей механизмов подач с учетом технологии изготовления их зубчатых колес// Горное оборудование и электромеханика.-2009.- №11.-C.12-16.
   
4. Черкашин В.П., Дворянинов Д.С. Концевая фреза с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий для обработки звезд движителей механизмов подач// Сборник научных трудов семинара «Современные технологии в горном машиностроении». -МГГУ. 2011. C.199 – 211.
   
5. Черкашин В.П. Выбор параметров концевой фрезы с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий при обработке звезд движителей механизмов подач//Горное оборудование и электромеханика.-2012.- №10.-C.7-11.

6. Черкашин В.В. Водилов А.В.Анализ неравномерности фрезерования концевой фрезой с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий с помощью компьютерного моделирования//Электронный журнал Современная техника и технологии. Июнь, 2012.

7. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов.- М: Машиностроение. 1975.-344 с.

8. Справочник металлиста. В 5 т. // Е.Д. Баклунов, А.К.Белопухов,М.И. Жебин и др.: Под ред. А.Н. Малова.- М .: Машиностроение.1977. Том 3.-748c.

9. Нечепаев В.Г., Гнитько А.Н., Пархоменко Н.В. Исследование стружки закрытых профильных пазов при их фрезеровании//Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сборник научных трудов. Донецк: ДонНТУ, 2005.Вып.29.-c.229-238.