Отличительной особенностью этих фрез является то, что они кроме стандартных зубьев, имеющих боковые и торцовые режущие лезвия, содержат специальные зубья, имеющие только торцовые режущие лезвия, рис.1.

На рис.1 представлена концевая фреза с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий: 1- тело фрезы; 2.1 – 2.6 – cтандартные зубья; 3.1-3.6 – специальные зубья; 4- обрабатываемая деталь; 5 – cхема стружки от стандартного зуба; 6 – схема стружки от специального зуба; 7 – стружкоразделительная канавка; Н – высота стандартного зуба; C- высота специального зуба; В1 – ширина фрезерования.

Стружкоразделительная канавка это канавки выполненная поперек режущих лезвий; эта канавка разрезает стружку на две отдельные части.

В стандартных концевых фрезах (как показывает опыт эксплуатации, наблюдения и замеры) стойкость торцовых режущих лезвий ориентировочно в два раза меньше стойкости боковых режущих лезвий, что является недостатком этих фрез; при переточке вместе с изношенными торцовыми режущими лезвиями перетачиваются еще не изношенные и работоспособные боковые режущие лезвия, что ведет к нерациональному расходу дорогостоящего инструментального материала, более частому простою фрезерного станка и дополнительной работы заточных станков.

Твердый сплав, как правило, работает в режиме диффузионного износа при температуре выше 850°С на границе своей теплоустойчивости. Температура резания на боковых нелезвиях. Поэтому боковые режущие лезвия работают или на грани диффузионного износа или вошли в область диффузионного износа, но имеют меньшую интенсивность износа.

Наличие в концевой фрезе специальных зубьев, имеющих только торцовые режущие лезвия, устраняет этот недостаток, способствуя выравниванию стойкости всех режущих лезвий фрезы [1-7].

Торцовое режущее лезвие специального зуба состоит из упрочняющей фаски или радиусной части с выходом на боковое режущее лезвие. Наличие бокового режущего лезвия в специальных зубьях необходимо, в том числе и как резерва для переточки зубьев по торцу.

При фрезеровании обычных машиностроительных сталей (сталь 35, 150-170 НВ, сталь 40Х, 241-285 НВ по ГОСТ 4543-71) температура имеет на режущих лезвиях величину 300-450°С и практически не оказывает влияние на стойкость резцов. При изменении режимов резания может иметь место незначительное нарушение равностойкости торцовых и боковых режущих лезвий, которое восстанавливается изменением величины упрочняющей фаски при переточки зубьев при их затуплении.

Но при фрезеровании труднообрабатываемых сталей, например стали 40ХН2МА ГОСТ 4543-71 с твердостью 300-320 НВ, температура резания повышается до 700-750°С; стружка имеет синий и темносиний цвет. Это ведет к понижению стойкости торцовых режущих лезвий стандартных зубьев по сравнению с торцовыми режущими лезвиями специальных зубьев и, следовательно, к нарушению равностойкости и понижению стойкости фрезы в целом.

В работе [ 7 ]
этот недостаток устраняется увеличением высоты специальных зубьев. Увеличенные высоты С специальных зубьев забирают часть работы резания у торцовых режущих лезвий стандартных зубьев, cпособствуя уменьшению температуры их резания и, следовательно, увеличению их стойкости.Но увеличение высоты высоты специальных зубьев вносят изменения в процесс стружкоотвода и требуют анализа по отсутствию заштыбовки стружки. Стружкоотвод это комплес конструктивных элементов (зубьев, затылков, стружечных канавок, представляющих собой пространство между зубьями для сбора и пакетирования стружки), обеспечивающих удаление стружки из зоны резания.

Увеличение высоты специальных зубьев хотя и увеличивает в определенной степени равномерность фрезерования, но оно вносит изменение в параметры стружкоотвода. Наличие винтовых стружечных канавок фрезы, выполняющих роль транспортера стружки, способствует тому, что стружка из торцовой части фрезы поднимается вверх на небольшую высоту (высоту специальных зубьев) и оказывается в зоне с меньшим числом зубьев и следовательно с увеличенными параметрами стружкоотвода. Увеличение высот зубьев должно быть технологически и технически обосновано c учетом отсутствия заштыбовки стружки. Заштыбовка стружки это явление, при котором стружка не выходит из зоны резания, застревает между зубьями, циркулирует и не уходит от фрезы, что наблюдается визуально.

Поэтому в определенных технологических условиях целесообразно применять, вместо увеличенных высот специальных зубьев стружкоразделительные канавки на cтандартных зубьях на высоте специальных зубьев Хотя стружкоразделительные канавки при переточке изношенных зубьев также подвергаются правке, но их применение не влияет на параметры стружкоотвода и делают торцовую часть стандартных зубьев по условию тепловой нагрузки одинаковой со специальными зубьями.

Стружкоразделительные канавки бывают различной геометрической формы (прямоугольные, трапециидальные, треугольные). Геометрическая форма влияет на стойкость этих канавок Износ и выкрашивание наступает на краях канавок, где концентрируется теплота резания, но стойкость боковых режущих лезвий в районе стружкоразделительных канавок всегда выше стойкости режущих лезвий торцовых зубьев.

В данной статье равенство температур на торцовых зубьях достигается выполнением стружкоразделительной канавки на стандартных зубьях на высоте специальных зубьев. Канавки выполняются без перекрытия; тот участок металла, которая остается несрезанной в районе стружкоразделительной канавки после прохода стандартного зуба срезается специальным зубом.

Торцовая часть стандартных зубьев изнашивается более интенсивно, так как она разогревается теплотой, приходящей от боковых режущих лезвий и здесь также имеет место ухудшенный отвод теплоты. Cтружкоразделительная канавка разделяет стружку на две части, не пускает теплоту от боковых режущих лезвий к торцовым режущим лезвиям и не дает разогреваться торцовым режущим лезвиям.

Несрезанный участок металла между двумя частями стружки практически не нагревается, так как скорость распространения тепла значительно меньше скорости резания, то есть меньше скорости перемещения зуба фрезы относительно обрабатываемой детали.

Поверхность обрабатываемой детали нагревается только в контакте с боковым режущим лезвием и совершенно отдельно в контакте с торцовым режущим лезвием. Упомянутый несрезанный участок металла, образуемый стружкоразделительной канавкой, не пропускает теплоту от бокового режущего лезвия в зону работы торцового режущего лезвия.

Cтружкоразделительные канавки используют для улучшения отвода стружки, уменьшения сил резания, уменьшения колебаний и вибраций [ 8 ]; выполняются стружкоразделительные канавки на всех зубьях с определенным перекрытием.

В данном конструктивном варианте стружкоразделительная канавки служит барьером для прохода теплоты от боковых режущих лезвий к торцовым режущим лезвиям стандартных зубьев.

Применение в данном конструктивном варианте стружкоразделительных канавок (выполнение только на половине зубьев, то есть только на стандартных зубьях, без перекрытия, то есть с постоянным расстоянием от торца фрезы) рассматривается как альтернатива тому варианту, когда увеличивается высота специальных зубьев. Целесооборазность применения стружкоразделительных канавок для увеличения стойкости фрезы за счет уменьшения нагрева и следовательно уменьшения износа торцовых режущих лезвий cтандартных зубьев имеет экспериментальное подтверждение, которое было сделано в производственных условиях механического цеха. В данной статье дается обоснование этому с помощью компьютерного моделирования.

Дальнейшее изложение материала статьи производится применительно к параметрам фрезы [ 3 ]: d =50мм – диаметр фрезы; марка твердого сплава Т15К6; Н=37мм – высота стандартного зуба; Z =6 – общее число зубьев; Z =3 – число стандартных зубьев; Z =6 – число специальных зубьев; В1=36мм – ширина фрезерования; ω = 40º – угол наклона стружечных канавок; S=0,12 мм/зуб – величина подачи при ориентировании на общее число зубьев; V= 110 м/мин – скорость резания; n=700 об/мин – частота вращения фрезы; t= 12,0 мм – глубина фрезерования. Режимы резания типовые, общемашиностроительные [ 9 ].

Фрезерование велось без применения СОЖ, то есть никакое количество теплоты не уносилось с охлаждающй жидкостью.

Высота специального зуба С=4мм, ширина стружечной канавки В=0,6мм, глубина стружечной канавки h1= 0, 9 мм. Канавка выполнена на высоте стандартного зуба равной H2=С – 0,5 B. Высота больше H2 ухудшает процесс резания специального зуба.

Величина температуры, найденная по известным зависимостям [ 10,11 ], на вершинах торцовых режущих лезвий составляет 750°С, а на вершинах боковых режущих лезвий стандартных зубьев составляет 600°С.

Расчет нестационарных температурных полей на твердотельной модели фрезы производился методом конечных элементов по программе Cosmos с модулем Thermal.

В данном случае с помощью анализа нестационарных температурных полей решается задача раскрытия механизма неравномерного износа торцовых режущих лезвий стандартных и специальных зубьев при большой температуре резания, то есть при фрезеровании труднообрабатываемых материалов.

При работе с этой программой необходимо временной интервал согласовывать со скоростью изменения температуры. Это согласование дает возможность проанализировать не только скорость распространения температуры и изменение величины этой температуры, но и проанализировать характер распространения температуры в теле зуба для мгновенного температурного поля, то есть для поля в определенный фиксированный момент времени. Величины температур для вершин режущих лезвий стандартных и специальных резцов определялись не только в узлах, но и внутри элементов конечно- элементной сетки.

При компьютерном моделировании приняты следующие параметры: температура окружающего воздуха 25°С, коэффициент теплопроводности при передаче тепла от режущих лезвий в тело фрезы
λ = 60вт/м ·°С.
Коэффициент конвенции при передаче тепла от поверхности зубьев в окружающую среду (воздух) α = 6 вт/м² ·°С.

Контакт зуба фрезы с металлом (стандартного и специального) при снятии стружки серповидной формы происходит за 0,014 сек. На воздухе зуб фрезы находится 0,072 cек, но охлаждение этого зуба практически полностью происходит за счет ухода тепла не в воздух, а в тело фрезы.

Из компьютерного моделирования получаем, что в период между выходом из резания и входом в резание (то есть за 0,072 сек) температура на зубьях уменьшается на 15-17%. Если полностью вывести фрезу из резания, то примерно за 0,3 секунды зуб фрезы охладится на 80-90%; дальнейшее охлаждение идет медленнее.

Температурное поле нестационарное (то есть изменяющееся во времени), хотя колебание на зубьях между входом в резание и выходом из резания, то есть за время холостого хода, сравнительно небольшое (15-17%); из за быстрого вращения фрезы зубья не успевают охладиться. Охлаждаются до 50-60% только сами вершины режущих лезвий.Учитывая это, рассматриваем изолинии температур (изотермы) только на выходе из резания, где температура выше.

Температурное поле при выходе из резания является мгновенным температурным полем. Но это мгновенное температурное (как и всякое другое) содержит точки с одинаковой температурой, геометрическое место которых представляет собой изотермы (изолинии). Изотермы базируются на эпюрах термических напряжения и являются границами этих эпюр с определенным диапазоном температур.

На рис.2,3,4 показаны температурные поля, представленные в виде совокупности изотерм, на развертке винтовых поверхностей зубьев.

На рис.2 показано температурное поле стандартного зуба для варианта, когда стружкоразделительная канавка отсутствует: 1 – изотерма, соответствующая температуре 750°С; 2- изотерма, соответствующая температур 700°С; 3- изотерма, соответствующая температуре 560°С; 4- изотерма, соответствующая температур 200°С; 5- изотерма, соответствующая температур 40°С; 6- изотерма, соответствующая температур 600°С.

На рис.3 показано температурное поле специального зуба: 1 – изотерма, соответствующая температуре750°С; 2- изотерма, соответствующая температур 500°С; 3- изотерма, соответствующая температур 200°С; 4- изотерма, соответствующая температур 80°С; 5- изотерма, соответствующая температур 30°С.

Cовокупность изотерм характеризующее мгновенное температурное поле на выходе из резания для варианта, когда стружкоразделительная канавка отсутствует представлено для стандартного зуба на рис.2, а для специального зуба представлено на рис.3; эти поля раскрывают механизм неравномерного износа торцовых режущих лезвий стандартных зубьев и специальных зубьев при большой температуре резания, то есть при фрезеровании труднообрабатываемых материалов.

На рис.4 показано температурное поле стандартного зуба для варианта, когда имеет место стружкоразделительная канавка: 1 – изотерма, соответствующая температуре 750°С; 2- изотерма, соответствующая температур 520°С; 3- изотерма, соответствующая температуре 560°С; 4- изотерма, соответствующая температур 200°С; 5- изотерма, соответствующая температур 40°С; 6- изотерма, соответствующая температур 600°С; 7- изотерма, соответствующая температур 400°С; 8- изотерма, соответствующая температур 560°С; 9- изотерма, соответствующая температур 600°С.

Из рис.2 видно, что тепловые потоки (которые представляют собой тепло, переносимую в сторону уменьшения температуры), идущие от боковых режущих лезвий стандартных зубьев и от торцовых режущих лезвий этих же стандартных зубьев смешиваются, оказывая влияние друг на друга и уходят в массивную деталь (в тело фрезы,

хвостовик которой соединен со шпинделем станка цанговым или конусным зажимом). Это влияние реализуется в том, что тепловые потоки от режущих лезвий стандартных зубьев блокируют прохождение в тело фрезы тепловых потоков, идущих от торцовых режущих зубьев разогреваются и теряют стойкость. В тоже ремя из рис.3 видно, что тепловые потоки, идущие от режущих лезвий специальных зубьев беспрепятственно уходят в тело фрезы

. Из рис.2 видно, что тепловые потоки (которые представляют собой тепло, переносимую в сторону уменьшения температуры), идущие от боковых режущих лезвий стандартных зубьев и от торцовых режущих лезвий этих же стандартных зубьев смешиваются, оказывая влияние друг на друга и уходят в массивную деталь (в тело фрезы, хвостовик которой соединен со шпинделем станка цанговым или конусным зажимом). Это влияние реализуется в том, что тепловые потоки от режущих лезвий стандартных зубьев блокируют прохождение в тело фрезы тепловых потоков, идущих от торцовых режущих зубьев разогреваются и теряют стойкость. В тоже ремя из рис.3 видно, что тепловые потоки, идущие от режущих лезвий специальных зубьев беспрепятственно уходят в тело фрезы.

. На рис.2 тепловой поток, порождаемый температурой 700°С (изотерма 2), по пути к телу фрезы (массивной детали) встречается с тепловым потоком, порождаемым температурой 560°С (изотерма 3), что затрудняет (блокирует) его движение. Тепловой поток, порождаемый температурой 560°С (изотерма 3), подпитывается температурой 650°С от бокового режущего лезвия (изотерма 6). Температура при удалении от торцовой части фрезы убывает: 750°С (изотерма 1), 700°С (изотерма 2), 560°С (изотерма 3).

На рис.3 тепловые потоки, порождаемые температурами 750°С (изотерма 1), 500°С (изотерма 2), 200°С (изотерма 3) имеют локальный характер и уходят беспрепятственно в тело фрезы (массивную деталь). Температура при удалении от торцовой части фрезы убывает: 750°С (изотерма 1), 500°С (изотерма 2), 200°С (изотерма 3). Это убывание происходит значительно быстрее, чем на рис.2.

На рис.4 представлено мгновенное температурное поле стандартного резца при наличии стружкоразделительной канавки. Из рис.4 видно, что стружкоразделительная

канавка является препятствием для прохода тепловых потоков от боковых режущих лезвий к торцовым режущим лезвиям и не дает разогревать эти лезвия.

Из рис.3 и рис.4 видно, что температура торцовых режущих лезвий на стандартных зубьях и температура режущих лезвий на специальных зубьях примерно одинаковая и ожидаемый износ будет одинаковый.

На рис.5,6,7 представлен пример компьютерного моделирования температурных полей концевой фрезы с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий со стружкоразделительными канавками на стандартных зубьях..

Компьютерное моделирование позволяет с аналитической стороны проанализировать результаты экспериментальных данных и при дальнейшей работе находить оптимальные параметры конструкции фрезы с учетом выбора многочисленных конструктивных элементов и их изменений. Компьютерное моделирование в настоящее время практически вытеснило испытание моделей, изготовленных из оргстекла.

Твердотельная модель, построенная по программе SolidWorks учитывает практически всю геометрию реальной конструкции с минимальной идеализацией конструкции и тем самым повышает точность получаемых результатов. Применение выбора получаемых расчетных параметров не только в узлах, но и внутри элементов конечно-элементной сетки

по встроенной системе интерполяции, оперирующей полиномами с известными значениями в углах сетка, позволяет уменьшить сгущение сетки даже на вершинах режущих лезвий и, следовательно,уменьшить нагрузку на программу и уменьшить трудоемкость расчета.

На рис.5 представлена твердотельная модель концевой фрезы со стружкоразделительными канавками на стандартных зубьях. На рис.6 представлена твердотельная модель этой концевой фрезы c нанесенной конечно-элементной сеткой и с нагрузками. После приложения температурных нагрузок и команды «Выполнить» на твердотельной модели появляются цветовые тона, характеризующие температурные напряжения. Эти цветовые тона переходят плавно из одного вида в другой, границы

перехода расплывчатые и нечеткие. На рис.7 видны эти температурные напряжения на напряженно–деформированном стандартном зубе фрезы, имеющем стружкоразделительную канавку. Из рис.7 и рис.4 видно, что стружкоразделительная канавка является своего рода температурным барьером и предохраняет торцовые режущие лезвия от перегрева; температурные поля выше стружкоразделительной канавки и ниже стружкоразделительной канавки разной интенсивности.

Конкретное значение температуры в конкретной точке зуба определяется с помощью команды «Зондирование». Конкретные значения температур, которые на рис.7 обозначены крестиками, определяются не только в узлах конечно-элементной сетки, но и внутри элементов этой сетки. C помощью этой команды построены температурные поля для зубьев фрезы в виде совокупности изолиний (рис.2,3,4), в том числе и для стандартного зуба со стружкоразделительной канавкой на рис.4.

ВЫВОДЫ

Для обеспечения равностойкости всех режущих лезвий стандартных и специальных зубьев концевой фрезы при фрезеровании труднообрабатываемых сталей целесообразно на этапе проектирования назначать на стандартных зубьях стружкоразделительные канавки без перекрытия на высоте специального зуба. Эта целесообразность по сравнению с альтернативным вариантом изменения высот специальных зубьев объясняется тем, что отсутствует необходимость в анализе (теоретическом или экспериментальном) отсутствия заштыбовки стружки.

Традиционные стандартные концевые фрезы, режущие элементы (режущие зубья, резцы, режущие пластины), которые содержат боковые и торцовые режущие лезвия, имеют общий недостаток: они выходят из строя из за износа торцовых режущих лезвий, в то время, как боковые режущие лезвия (то есть режущие лезвия, расположенные на боковой цилиндрической поверхности) остаются неизношенными и практически работоспособные.

Как показывает опыт эксплуатации, наблюдения и замеры стойкость торцовых режущих лезвий ориентировочно в два раза меньше стойкости боковых режущих лезвий. Увеличение фаски износа по задней поверхности на торцовых режущих лезвиях происходит ориентировочно в два раза быстрее, чем на боковых режущих лезвиях.

Cменные режущие элементы (зубья, резцы или пластины) содержат практически не изношенные и работоспособные боковые режущие лезвия, так как износ происходит в лимитирующей точечной зоне на вершине.

Эту проблему можно решить, используя концевую фрезу с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий.

Концевая фреза с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий содержит дополнительно у торцовой плоскости режущие элементы (зубья, резцы или пластины) с меньшими размерами, которые берут на себя в районе торцовой плоскости фрезы примерно половины работы резания. То есть у торцовой плоскости фрезы можето находиться в работе резания в два раза больше торцовых режущих лезвий [ 1 ].

Если инструмент с равной стойкостью боковых и торцовых лезвий изготавливается на базе стандартного инструмента, то возможны два конструктивных варианта: 1-ый конструктивный вариант состоит в том, чтобы переконструировать в этом инструменте некоторое количество режущих элементов, сделав их меньших размеров таким образом, чтобы они работали бы не по всей ширине фрезерования, а снимали стружку только у торцовой плоскости фрезы[2,3,4,5]; 2-ой конструктивный вариант состоит в том, чтобы ввести в инструмент новые режущие элементы (зубья, резцы или пластины) с меньшими размерами, которые снимали бы (как и 1-ом варианте) стружку только у торцовой плоскости фрезы[1,4,5,6]. Заметим, то число новых режущих элементов может быть меньше числа имеющихся, а может быть равно числу имеющихся [ 1 ].

Cуществуют стандартные инструменты, изготавливаемые на инструментальных заводах: традиционные концевые фрезы с напаянными твердосплавными винтовыми пластинами (режущими лезвиями) ГОСТ 20538-75; концевые фрезы с удлиненной режущей частью с напаянными участками пластин, расположенных с определенным перекрытием ГОСТ 28709-90. Cуществуют концевые фрезы со сменными, имеющих механическое крепление, неперетачиваемыми твердосплавными режущими пластинами ГОСТ 28435-90, раньше концевые фрезы с механическим креплением режущих пластин изготавливались по ОСТ 2И41-5-084 на Белгоградском заводе фрез.

На рис.1 представлена концевая фреза, в которой у некоторого числа пластин уменьшена высота бокового режущего лезвия; оставлен только небольшой участок, примыкающий к торцовому режущему лезвию. Фреза изображена без мелких конструктивных подробностей для более четкого изложения материала статьи. .

На рис.1: 1 – корпус фрезы; 2 – сменная режущая пластина с номинальными размерами в соответствии с диаметром фрезы; 2а – сменная режущая пластина, у которой снято (абразивным инструментом) большая часть высоты бокового режущего лезвия; 3- прихват; 4 – винт крепления; 5 – опорная пластина из легированной стали; 6 – торцовая плоскость фрезы; 7- схемы стружек от режущей паластины с номинальным размером; 8 – схемы стружек от пластин с уменьшенным боковым лезвием; 9 – обрабатываемая деталь;L – высота бокового режущего лезвия пластины с номинальными размерами; L1 – уменьшенная высота бокового режущего лезвия пластины 2а.

Использовалась фреза изношенная на 80% при ориентировании на величину фаски износа, для того минимизировать производственные затраты.

Если в этой фрезе, имеющей общее число пластин Z=4, сделать число пластин с номинальными размерами Z1=2, и число пластин с уменьшенным боковым режущим лезвием Z2=2, то получим фрезу с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий. Величина L режущей пластины (ширина фрезерования) равна L =16,0 мм по ГОСТ 19045-85; величина L1 =6 мм. Испытания проводились в производственных условиях механического цеха. Фрезерование производилось на вертикально фрезерном станке станке мод. 6М13П. Диаметр фрезы D=50мм, обрабатываемый материал сталь 40Х твердостью НВ 241…285 ГОСТ 4543-71. Величина подачи S=0,48 мм/об, ширина фрезерования В=16 мм, глубина фрезерования t = 20 мм, скорость резания V=110м/мин. Фрезерование производилось без применения СОЖ. Стойкость боковых режущих лезвий и стойкость торцовых режущих лезвий примерно одинаковое и составляло Т=80-90 мин при величине фаски износа по задней поверхности а=0,4- 0,5 мм.

Заметим, что стойкость стандартной фрезы диаметром D=50мм с четырьмя пластинами составляет 70-100 мин при а = 0,3 – 0,5 мм, но у этой фрезы на режущих пластинах остаются неизношенные и работоспособные (то есть не исчерпавшие свой ресурс) боковые режущие лезвия. То есть дорогостоящий инструментальный материал расходуется нерационально.

Концевая фреза с Z=4, Z1=2, Z2=2 содержит в два раза меньше боковых режущих лезвий, поэтому чистота поверхности для данной стали (стали 40Х) уменьшается примерно в 1,5 раза. Но для получистового фрезерования это не имеет принципиального значения, так как чистота обрабатываемой поверхности получается в пределах 5-го класса чистоты (Rz=10-20мкм) до 4-го класса (Rz=20-40мкм) по ГОСТ 2789-73, что соответствует получистовому фрезерованию [ 7 ]. В том случае, когда рабочая поверхность обрабатываемой детали формируется торцовыми режущими лезвиями, чистота обработанной поверхности не ухудшается, так как число торцовых режущих лезвий не уменьшается.

Температура резания при фрезеровании обычных машиностроительных сталей (сталь 40, cталь 35) не превышает 250-300°С [ 7 ] и не влияет на интенсивность износа режущих лезвий.

Но при фрезеровании труднообрабатываемых высоколегированных сталей 40ХН2МА, 18Х2Н4МА твердостью НВ 300…320 по ГОСТ 4543-71 имеет место большой нагрев пластин. В этом случае режущие пластины испытывают не только механическую, но и температурную нагрузку. Наибольшую нагрузку испытывают торцовые режущие лезвия пластин с номинальными размерами; дополнительный нагрев этих лезвий происходит за счет прихода теплоты от боковых режущих лезвий. Стружка при фрезеровании имеет синий и темносиний цвет, что свидетельствует о температуре 700-750°С. Температура в зоне резания является определяющим фактором износа режущих лезвий.

Cтойкость торцовых режущих лезвий пластин с номинальными размерами уменьшается по сравнению со стойкостью торцовых режущих лезвий пластин с уменьшенным боковым режущим лезвием. Торцовые режущие лезвия пластин меньшего размера (при износе торцовых лезвий пластин с номинальными размерами, который идет непрерывно) воспринимают увеличенную нагрузку резания и их стойкость тоже уменьшается. Так как процесс износа идет непрерывно, то величина износа торцовых режущих лезвий пластин с номинальными размерами и пластин с уменьшенными размерами одинаковая, но происходит в более короткое время. Уменьшить температуру нагрева можно путем целенаправленного изменения работы резания между режущими пластинами с номинальным размером и режущими пластинами с уменьшенным боковым режущим лезвием. Так как высота L1 задается при проектировании фрезы, то изменить работу резания можно установкой подкладки, выполненной из обычной углеродистой стали (сталь 35 или сталь 30), под опорную пластину с уменьшенным боковым лезвием. Но делать это целесообразно при установившихся режимах резания.

Наиболее эффективным свойством инструмента является увеличение его стойкости. При увеличении стойкости инструмента уменьшается простой фрезерного станка из необходимости замены инструмента, что увеличивает рентабельность производства. Увеличение стойкости концевой фрезы получается в том конструктивном варианте, когда в инструмент устанавливаются новые режущие элементы (зубья, резцы или пластины) с меньшими размерами, которые снимали бы стружку только у торцовой плоскости фрезы (2-ой конструктивный вариант).

На рис.2 представлена концевая фреза с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий сменных неперетачиваемых пластин, в которой дополнительно к имеющимся режущим пластинам с номинальными размерами установлены режущие пластины с меньшими размерами. Режущие пластины и элементы крепления меньших размеров можно использовать от концевой фрезы меньших размеров диаметра D=10мм, то есть эта концевая фреза также изготавливается на базе стандартной фрезы. Пластины из твердого сплава Т15К10, имеют три режущие грани; при затуплении отвертывается винт крепления, пластины поворачиваются и в резание вступает новая режущая грань.

На рис.2: 1 – корпус фрезы; 2 – сменная неперетачиваемая режущая пластина с номинальными размерами в соответствии с диаметром фрезы; 3- прихват (прижимной рычаг); 4 – винт крепления; 5 – опорная пластина из легированной стали; 6 – торцовая плоскость фрезы;7 –сменная неперетачиваемая режущая пластина c меньшими размерами (от фрезы диаметра D=10мм); 8- прихват пластины меньших размеров; 9 – винт крепления пластины меньших размеров; L – высота бокового режущего лезвия пластины с номинальными размерами;10 – регулировочная подкладка (сталь 35,cталь 30); 11 – cхема стружек от пластины с номинальными размерами; 12 – cхемы стружек от пластины с меньшими размерами; 13 – обрабатываемая деталь; L1 – высота бокового режущего лезвия пластины с меньшими размерами. Ширина фрезерования режущей пластины с номинальными размерами равна 16 мм, то есть величина равна L =16,0 мм ГОСТ 19045-85, ширина фрезерования режущей пластины с меньшими размерами равна 8,5мм, то есть L1 =8,5мм ГОСТ19045-85. Фреза имеет общее число пластин Z=8, число пластин с номинальными размерами Z1=4, число пластин с меньшими размерами Z2=4.

Изготовление этой фрезы связано с определенными технологическими усложнениями, так как корпус фрезы из легированной стали 50ХФА, (объемная закалка в масле 860-880ºС, отпуск на воздухе 180-220ºС) имеет твердость 42…46 HRCэ, что соответствует 380…420 НВ, а это требует применение твердосплавного инструмента (концевых фрез разного диаметра, сверл, мечиков). Наиболее трудоемким является

изготовление точного по размерам гнезда с опорными поверхностями под твердосплавную режущую пластину меньших размеров, так как здесь гнездо должно иметь поднутрение, чтобы не повредить режущие грани; режущих пластин для обратного вращения фрезы не предусмотрено.Необходимо выдержать радиальное биение боковых режущих лезвий не более 005мм и биение торцовых режущих лезвий не более 0,06 мм. Торцовые режущие лезвия режущих пластин находятся близко друг от друга, поэтому вылет торцового режущего лезвия режущей пластины меньших размеров должен быть больше на расчетную

величину, чтобы выровнять толщины стружек. Вместо опорных пластин из легированной стали (которые устанавливаются для того, чтобы избежать перегрев корпуса фрезы) под пластинами меньших размеров устанавливаются сменные регулировочные подкладки, изготовленные из обычной углеродистой стали (сталь 35 или сталь 30). Эти регулировочные подкладки заменяются на другую толщину, чтобы изменить толщину стружки и изменить обьем работы резания при нарушении равностойкости боковых и торцовых режущих лезвий при изменении режимов резания. Но делать это целесообразно при установившемся технологическом процессе в условиях массового или серийного производства. Заштыбовки стружки в торцовой плоскости фрезы при диаметре D=50 мм не происходит.

Изготовленная опытная фреза положительно показала себя при испытаниях; увеличенное в два раза число торцовых режущих лезвий примерно в два раза увеличивает стойкость этих режущих лезвий и делает их стойкость примерно равным стойкости боковых режущих лезвий. То есть стойкость фрезы в целом увеличивается ориентировочно в два раза.

ВЫВОДЫ

Концевая фреза равной стойкостью боковых и торцовых лезвий сменных неперетачиваемых режущих пластин при общем числе режущих пластин Z=8, числе пластин с номинальными размерами Z1=4, числе пластин с меньшими размерами Z2=4, имеет стойкость выше ориентировочно в два раза выше по сравнению со стандартной фрезой и ее применение даст определенный экономичеcкий эффект.

Концевая фреза с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий имеет отличительную особенность, состоящую в том, что она имеет в наиболее изнашиваемой, торцовой части дополнительные специальные зубья [1-5]. Это позволяет увеличить стойкость фрезы в 1,7 -2,0 раза. Наличие дополнительных режущих лезвий специальных зубьев оказывает влияние на шероховатость обрабатываемой поверхности; этому вопросу посвящена данная статья.

На рис.1 представлена концевая фреза с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий: 1 – корпус фрезы; 2 – стандартные зубья; 3 – специальные зубья; 4 – затылки стандартных зубьев; 5 – затылки специальных зубьев; 6 – стружкоразделительная канавка, препятствующая прохождению теплоты к торцовым лезвиям; d –диаметр фрезы; L- полная высота стандартного зуба; C – высота специального зуба; L1 – высота стандартного зуба, содержащая только боковые режущие лезвия.

Рис. 1. Концевая фреза с равной стойкостью боковых и торцовых левий

При анализе шероховатости обрабатываемой поверхности различают два вида шероховатости: теоретическую и действительную. Действительная шероховатость находится опытным в результате замеров. Теоретическая шероховатость вычисляет вся из чисто геометрических соображений: находится величина неровностей по геометрической высоте гребешков, получающихся в результате двух последовательных резов предыдущнго и последующего зубьев фрезы. При этом не учитываются никакие другие факторы, сопутствующие явлению резания.

Зубья фрезы описывают удлиненную циклоиду. Обычная циклоида – это траектория которая описывает точка окружности радиуса r, катящейся по прямой без скольжения. Фреза своими зубьями на радиусе R > r, где R=d/2, cоприкасается с обрабатываемой поверхностью и каждый зуб описывает удлиненную циклоиду; радиус R находится на продолжении радиуса r (рис.2).

Рис.2. Обыкновенная циклоида 1 и удлиненные циклоиды 2 и 3, описываемые режущими лезвиями концевой фрезы

На рис.2 представлена обыкновенная циклоида 1, описываемая радиусом r и удлиненную циклоиду, описываемой радиусом R, на котором находятся режущие лезвия.

Уравнение циклоиды в параметрической форме в системе координат XY имеет вид

X= r · γ – R· Sin γ,

Y= r – R· Cos γ,

где γ – угол поворота производящей окружности радиусов r и R.

На рис.2а показаны в общем виде циклоиды 1 и 2; А – прямая, по которой без скольжения катится окружность радиуса r, каждая точка которой описывает обыкновенную циклоиду 1; Б- обрабатываемая поверхность, с которой соприкасаются ветви удлиненной циклоиды 2, описываемых режущими лезвиями фрезы. На рис. 2в показаны ветвь удлиненной циклоиды 2 и ветвь удлиненной циклоиды 3, отстающая от нее на величину H=S/Z, где S – величина подачи,мм/об; Z – число зубьев (на высоте С или на высоте L1). На рис. 2c показаны ветви удлиненных циклоид 2 и 3, точка С – пересечение ветвей этих циклоид; в результате пересечения получается гребешок высотой h, который является величиной шероховатости Rz обрабатываемой поверхности. В данном случае – величиной теоретической шероховатости.

Теоретическая шероховатость вычислялась при следующих условиях: диаметр фрезы d=50мм, то есть R =25мм; общее число зубьев Z=8, число стандартных зубьев Z1=4, число специальных зубьев Z2=4; подача S=0,30 – 0,45 мм/об (на высоте С), где число зубьев Z = Z1+Z2=8 подача S= 0,038 – 0,056 мм/зуб; на высоте L1, где число зубьев Z2=4 подача S=0,076 – 0,112 мм/зуб). Величина радиуса окружности обычной циклоиды r равна: r =S/2·π =0,048 мм при S=0,3 мм/об; r = S/2·π =0,072 мм при S=0,45 мм/об.

При расчете по наибольшей величине подачи S=0,45 мм/об получим следующие величины h: при Z=8 и S=0,056 мм/зуб (высота С) величина h =0,02 мкм; при Z=4 и S=0,112 мм/зуб (высота L1) величина h =0,06 мкм. Расчет производился по разработанной программе на языке программирования QBASIK-64 в среде WINDOWS XР. Полученные величины шероховатости h сопоставляются с величиной шероховатости Rz по ГОСТ 2789-73, (то есть h =Rz). Эти величины сравнительно небольшие, если учесть, что даже при шестом классе шероховатости Rz=6,3-10 мкм [ 6, 7 ], ГОСТ 2789-73 .

Поэтому здесь имеет место следующее утверждение, очень важное для концевых фрез с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий: теоретическая шероховатость практически не зависит от числа зубьев фрезы. В полученном численном примере Rz =0,02 мкм при Z=8 и Rz =0,06 мкм при Z=4 хотя и отличаются в три раза, но они все равно меньше величин даже шестого класса шероховатости Rz=6,3-10 мкм и принципиально ни на что не влияют. Но самое главное, как будет показано ниже, они не несут никакого физического смысла. Полученные Rz, вычисленные чисто геометрически, не учитывают никакие производственные, конструктивные и технологические факторы, при которых фрезерование происходит.

Одним из важнейших факторов является точность изготовления фрезы и в частности биение зубьев фрезы. В концевых фрезах радиальное биение между двумя смежными зубьями равно 0,03мм = 30мкм, а для двух противоположных зубьев0,06мм = 60мкм[6, 7 ], ГОСТ 2789-73 .

Заметим, что величина шероховатости по [ 6,7 ], ГОСТ 2789-73 для шестого класса равна 6,3 – 10 мкм, для пятого класса 10-20 мкм, для четвертого класса 20-40 мкм. Отсюда следует, что расчет шероховатости обрабатываемой поверхности для концевых фрез без учета пластической деформации металла при резании лишено физического смысла. Влияние пластической деформации металла при резании позволяет при фрезеровании концевыми фрезами получать поверхности пятого и шестого класса шероховатости [ 6,7 ].

Рис.3. График зависимости величины шероховатости Rz от величины подачи S

для поверхности, обрабатываемой центральной частью фрезы (график 1), и

поверхности вблизи торцовой части фрезы (график 2)

Заметим, что величина теоретической шероховатости дает приемлимые результаты (и

только при больших подачах) для токарных резцов, где вместо диаметра фрезы подставляется в расчетную формулу радиус на вершине резца, который равен 0,5 – 2,5 мм (то есть величина на много меньшая, чем диаметр концевой фрезы); заметим, что для токарных резцов рассматривается не циклоида, а винтовая линия.

Для концевых фрез величина теоретической шероховатости не дает даже приблизительной оценки качества обрабатываемой поверхности, так как в зависимости от конкретных условий производства действительная шероховатость может давать большие или меньшие значения в зависимости от условий фрезерования.

Замеры действительной (фактической) шероховатости для концевой фрезы с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий производилась в производственных условиях механического цеха на вертикально-фрезерном станке 6М13П при следующих условиях: d=50 мм – диаметр фрезы; обрабатываемый материал сталь 40Х 160-180НВ ГОСТ 4543-71; Н = 37мм – высота стандартного зуба; C = 5мм – высота специального зуба; Z=8 –общее число зубьев; Z1=4 – число стандартных зубьев; Z2=4 – число специальных зубьев; В1=12 мм – ширина фрезерования; ω=40° – угол наклона специальных режущих зубьев; S =0,3-0,45 мм/об – величина подачи, то есть для торцовой части фрезы и для средней части фрезы величина подачи мм/зуб различная; V=110 м/мин – скорость резания; t = 4,0 – глубина фрезерования. Фрезерование производилось без применения СОЖ. Режимы резания типовые машиностроительные [ 7 ], Величина шероховатости определялась по эталонам шероховатости.

Марка твердого сплава титановольфрамовый сплав Т15К6 твердостью HRA 90. При чистовом фрезеровании имел место только износ по задней поверхности режущих лезвий, хрупкого повреждения в результате скалывания режущих кромок не происходило. Скалывание режущих кромок в ряде случаев происходило при получистовом фрезеровании при увеличении толщины срезаемого слоя и увеличении подачи.

Полученные данные соответствуют среднезатупленной концевой фрезе с величиной фаски износа по задней поверхности 0,25 мм. При марке твердого сплава ВК8 при чистовом фрезеровании износ режущих лезвий до среднеизношенной величины наступает быстрее. При затупленной фрезе шероховатость обработанной поверхности (по сравнению с острой фрезой) увеличивается от 15 до 30% . При обработке стали 35твердостью160-180НВ ГОСТ 4543-71 шероховатость изменяется незначительно, так как она больше зависит от твердости НВ, чем от химического состава металла.

Полученные данные шероховатости, обработанные по [ 8 ], использованы для построения графиков на рис.3 зависимости Rz от величины подачи S на высоте фрезы L1 (кривая 1) и на высоте С (кривая 2). Полученные данные свидетельствуют о том, что обработанная поверхность имеет различные величины шероховатости в средней части фрезы и у торцовой части фрезы; у торцовой части фрезы шероховатость меньше.

Заметим следующее. У стандартных традиционных фрез чистота обрабатываемой поверхности также различная в средней части фрезы и у торцовой части фрезы; вблизи торцовой части фрезы шероховатость поверхности увеличивается, так как здесь больше сказываются влияния погрешностей от биения и деформации инструмента и погрешностей станка. Шероховатость обрабатываемой поверхности, соответствующая средней части фрезы, для традиционной стандартной фрезы и для фрезы с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий примерно одинаковая.

Из графиков на рис.3 следует, что на высоте С число режущих лезвий в два раза больше, то есть Z=8, что способствует улучшению чистоты поверхности и уменьшению шероховатости (кривая 2). На высоте L1 число режущих лезвий в два раза меньше, то есть Z=4,стружка в два раза толще, что способствует ухудшению чистоты обрабатываемой поверхности и увеличению шероховатости (кривая 1).

ВЫВОДЫ

Получены и проанализированы данные замеров действительной (фактической) и теоретической шероховатости вблизи торцовой части фрезы (график 2 на рис3) и при удалении от торцовой части фрезы (график 1 на рис3).

Произведенный сравнительный анализ теоретической шероховатости, полученный без учета факторов, сопутствующих явлению резания, и действительной (фактической) шероховатости, полученной в результате замеров при фрезеровании концевой фрезой с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий, позволяет сделать вывод, что данные теоретической шероховатости для концевых фрез (это утверждение не касается токарных резцов) неприемлимы даже для ориентировочной оценки чистоты обрабатываемой поверхности.

Для оценки величин шероховатости проектируемой детали целесообразно пользоваться фактическими замерами или данными шероховатости уже изготовленных аналогичных типовых деталей.

В работе [ 1 ] упомянутый недостаток решается конструктивным способом путем установки дополнительных зубьев у торцовой плоскости фрезы. Дополнительные зубья устраняют износ в локальных точках на вершинах зубьев, обеспечивают стабильную работу фрезы (отсутствие заштыбовки) и повышают ее стойкость (стойкость повышается ориентировочно пропорционально количеству дополнительных зубьев по отношению к количеству номинальных зубьев). Дополнительные зубья должны иметь обоснованую небольшую высоту в целях экономии дорогостоящего инструментального материала.

Дополнительные зубья по сравнению с номинальными могут иметь другой материал, другой угол наклона и другое     количество. Наиболее технологичный вариант, когда количество дополнительных зубьев равно количеству номинальных зубьев, иначе при переточке затупленных зубьев нужно делать различные вылеты режущих лезвий, чтобы обеспечить равную толщину стружки.

В данной работе произведен выбор параметров концевой фрезы с раздельной схемой обработки: в зависимости от диаметра фрезы обоснованно выбрано количество дополнительных зубьев, конструктивно размещающихся в торцовой плоскости; для выбранных диаметра и количества зубьев обоснован выбор высоты дополнительных зубьев, обеспечивающих стабильную работу фрезы и повышенную стойкость.

Рис.1. Концевая фреза с раздельной схемой обработки.

На рис. 1 представлена концевая фреза с раздельной схемой обработки:

1 – корпус фрезы; 2 – номинальные зубья; 3 – дополнительные зубья. Н – высота номинальных зубьев; С – высота дополнительных зубьев. На рис.1 количество номинальных зубьев Z1 равно количеству дополнительных зубьев Z2; общее количество зубьев Z =Z1+Z2.

При изготовлении фрезы с раздельной схемой обработки наиболее технологичным вариантом является следующий. Торцовая часть фрезы, содержащая дополнительные зубья высотой С и равные им по высоте номинальные зубья, сначало изготавливается отдельно и затем крепится к основной части фрезы механически или с помощью стыковой сварки. Стыковка зубьев торцовой и основной части фрезы выполняет роль стружкоразделительных канавок, поэтому учитываются их перекрытия при резании.

Дополнительные зубья должны конструктивно размещаться у торцовой плоскости и удовлетворять условию отсутствия перегрева вспомогательных зубьев (что имеет место при слишком малых их высотах), нормального отвода стружки. Дополнительные зубья могут полностью или частично участвовать в работе резания или нем участвовать совсем, то есть имеет место раздельная схема обработки. Высота дополнительных зубьев и количество этих зубьев являются важнейшими параметрами концевой фрезы с раздельной схемой обработки.

В таблице 1 представлены диаметры фрезы и числа дополнительных зубьев, которые конструктивно размещаются с учетом затыловочных частей у торцовой части фрезы.

Таблица 1. Диаметры концевых фрез D и соотвествующее им количество дополнительных зубьев Z2

В таблице 2 приведены для соответствующих значений D,Z2 экспериментальные данные высот дополнительных зубьев, полученные в производственных условиях механического цеха на вертикально-фрезерном станке 6М13П при следующих условиях: обрабатываемый материал сталь 35 140-160 НВ ГОСТ 4543-71 и сталь 20Х2Н4А 180-200 НВ ГОСТ 4543-71; ω=40° – угол наклона специальных режущих зубьев; S =0,3-0,45 мм/об, – то есть величина подачи мм/зуб для средней части фрезы и для торцовой части фрезы различная; V=110 м/мин – скорость резания. Фрезерование производилось без применения СОЖ. Режимы резания типовые машиностроительные [ 2 ],

Таблица 2. Высота дополнительных зубьев С в зависимости от величин D;Z2 для стали марки 35

Таблица3.Высота дополнительных зубьев С в зависимости от величин D;Z2 для стали марки 20Х2Н4А

Рис.2. График зависимости высоты дополнительных зубьев С от диаметра фрезы D

На основании табл.2 и табл.3 c использованием
[ 3 ] выведена эмпирическая формула стойкости зуборезной головки с равной стойкости боковых и вершинных режущих лезвий на базе степенных функций

С= А· D ^x , где: С – высота дополнительных зубьев; x – эмпирический коэффициент, x=0,7;

A – безразмерная эмпирическая постоянная: А = 0,416 для стали 35; А = 0,462 для стали 20Х2Н4А.

На основании табл. 2 и табл.3 c использованием [ 3 ] был построен эмпирический график, представленный на рис.1, где: C – высота дополнительных зубьев в торцовой части фрезы: C1 – для обрабатываемого материала сталь 35; C2 – для обрабатываемого материала сталь 20Х2Н4А; D –диаметр фрезы .

ВЫВОДЫ

Приведены проверенные опытным путем величины высот дополнительных зубьев в торцовой плоскости фрезы, при которых устраняется износ в локальных точках на вершинах зубьев, имеет место стабильная работа фрезы и повышается стойкость.

сведения [1- 9 ], относящиеся к процессу фрезерования концевыми фрезами. Фрезерование характеризуется рядом особенностей. Каждый зуб фрезы при фрезеровании за один оборот находится в контакте с заготовкой небольшую часть своего оборота, а остальную часть пути проходит без обработки, то есть не участвует в резании, а затем снова входит в резание. Вход зуба в резание, то есть в контакт с обрабатываемой деталью, сопровождается колебаниями и вибрациями. Кроме того, из-за изменения толщины срезаемого зубом слоя (в течение одного оборота) усилие резания также колеблется. Все это отрицательно сказывается на точности и шероховатости обрабатываемой поверхности и стойкости лезвий фрезы. Для уменьшения колебаний и вибраций в концевых фрезах применяют следующие конструктивные приемы: различный угловой шаг зубьев и различный угол наклона винтовой линии соседних зубьев, а также дополнительные зубья в торцовой части фрезы.

Упомянутые колебания и вибрации, одной и той же величины. ощущают как к торцовая часть фрезы, так и основная часть фрезы. Но эти колебания и вибрации сопровождаются деформацией корпуса фрезы и эта деформация увеличивается у торцовой части, так как концевая фреза представляет собой аналогию консольной балки с жесткой заделкой в цанговом патроне. Особенно это ощущается в длиннокромочных концевых фрезах: колебания и вибрации усиливаются из-за наличия деформации и изгиба оси корпуса фрезы, что отрицательно сказывается не только на качестве обрабатываемой поверхности, но и уменьшает стойкость режущих лезвий торцовой части фрезы. Анализу этому вопросу по уменьшению стойкости режущих лезвий посвящена тематика данной статьи.

Анализу влияния деформации корпуса фрез на стойкость торцовой части зубьев длиннокромочных концевых фрез посвящена настоящая статья.

На рис.1 представлена концевая длиннокромочная фреза.

Рис.1. Концевая длиннокромочная фреза:

1 – режущая часть фрезы; 2 – хвостовик; 3 – цанговый патрон; 4 –ось фрезы в первоначальном, неотжатом положении; 5 – ось фрезы в отжатом, деформированном положении; 6 – торцовая часть фрезы; А – величина отжатия оси фрезы под нагрузкой; L – высота режущей части фрезы; Р – распределенная нагрузка на режущую часть фрезы.

Существуют различные разновидности концевых фрез, в том числе фрезы с модифицированной геометрией, в частности см. Cайт Specnn52.ru. Раздел сайта «Новая разработка 000 НПП «РИТ-ИНЖИНИРИНГ» Концевая фреза, имеющая переменную геометрию режущей кромки, VaCuEdge». При чистовом фрезеровании отжим концевой фрезы составляет 0,02 – 0,045 мм.

На сайте WWW.visnyk-mmi.kpi.ua. в разделе «Фролов В.К., Гладский М.Н. (Киевкий политехнический институт) Аналитическое решение задачи определения упругих деформаций инструмента при контурном фрезеровании концевыми фрезами» изложено, что при черновом фрезеровании отжим концевой фрезы составляет 0,5 – 1,5 мм.

В РФ фрезы выпускаются по ГОСТ 18372-73. Фрезы концевые твердосплавные. Технические условия.

Наиболее большой отжим имеют длиннокромочные фрезы. Длиннокромочные фрезы (в отличие от коротких фрез) имеют в резании больше двух зубьев Zp, число которых вычисляется по формуле [ 6 ]

Zp= [acos(1-2· t/D) ·Z] /360 + В·Z/[π· D · Ctg(w)],

где: t – припуск под обработку; Z = число зубьев; В – ширина фрезерования; D – диаметр фрезы; w - угол наклона зубьев.

В длиннокромочных фрезах обычно не бывает, чтобы фреза выходила из соприкосновения с обрабатываемым материалом и испытывала из-за этого ударную нагрузку.

В зависимости от выбора параметров резания фрезы и параметров резания длиннокромочные фрезы могут быть с равномерным и неравномерным фрезерованием.

При жестком корпусе фрезы можно получить равномерное фрезерование при большой ширине фрезерования без наличия вибраций (к которым так чувствительны концевые фрезы). Колебания и вибрации могут быть только при входе в заготовку и выходе из заготовки после окончания фрезерования, а также при износе режущих лезвий.

Для уменьшения вибраций также применяют расчетное соотношение параметров: ширины срезаемого слоя, диаметра фрезы, осевого шага и угла наклона режущих зубьев, при которых обеспечивается равномерное фрезерование. 

Но это выполнить можно в основном только в крупносерийном и массовом производстве. И очень трудно, а во многих случаях и нецелесообразно, выполнить равномерное фрезерование при обработке деталей на станке с ЧПУ, где реализуется по существу единичное производство и в каждом конкретном случае разрабатывается своя, индивидуальная программа для ЭВМ этого станка с учетом конкретных условий фрезерования конкретных небольшого числа деталей.

Равномерное фрезерование должно подчиняться следующему условию работы [ 6 ]

К = В· Z / Н – величина коэффициента неравномерности.

где ; К –должно быть целым числом; Н– осевой шаг винтовой линии фрезы; В – ширина фрезерования; Z – число зубьев фрезы, Н= – угол наклона зубьев фрезы, D – диаметр фрезы.

При работе на станках с ЧПУ длиннокромочными фрезами имеет место не только равномерное фрезерование, но и неравномерное фрезерование, причем преимущественно имеет место неравномерное фрезерование. Хотя равномерное фрезерование cпособствует улучшению работы инструмента.

Необходимо подчеркнуть следующее.
При больших нагрузках от сил резания корпус фрезы деформируется. В этом случае фреза, с изогнутой под нагрузкой осью, работает, в принципе, как пружина изгиба c определенным коэффициентом упругости и работа такой фрезы не может быть стабильной. Теоретически при равномерном фрезеровании изгиб тела фреза происходит под постоянной нагрузкой, так как в любой момент времени при повороте фрезы срезается одинаковая суммарная площадь сечений срезов. Но наличие внешних факторов, в частности технологических относительных погрешностей от биения зубьев (при изготовлении фрезы) приводит к колебательным процесса и вибрациям. К внешним факторам также относятся погрешность установки фрезы в шпинделе станка и в цанговом патроне, погрешность приспособления и самого станка. Кроме того, колебания при фрезеровании появляются при износе зубьев фрезы по задней поверхности.

Упругая линия отжатой фрезы от первоначальной положения фрезы наиболее сильно отклоняется у торцовой части фрезы, что естественно сказывается на том, что торцовая часть наиболее сильно воспринимает колебания и вибрации и изнашивается более интенсивно.

Типовой погрешностью фрезерования для длиннокромочных фрез с постоянным фрезерованием является погрешность плоскостности. Погрешность плоскостности имеет место и для других фрез, но для длиннокромочных концевых фрез погрешность плоскостности это типовая погрешность.

Упругие, «пружинные» силы, действующие между фрезой и заготовкой, стремятся сблизить фрезу и заготовку, что приводит к непроизвольному появлению лунки («выработки»), то есть появлению погрешности плоскостности. Cилы, cближающие фрезу (которая работает в режиме пружины изгиба) и заготовку появлятся в результате наличия различных колебаний, а также в результате совпадения этих колебаний.

На рис.2 показана погрешность плоскостности, которая является типовой погрешностью при равномерном фрезеровании длиннокромочной концевой фрезой.

Рис.2. Типовая погрешность плоскостности при фрезеровании длиннокромочной концевой фрезой:

1 –фреза; 2 – деталь; 3 – обрабатываемая деталь; 4 – обрабатываемая поверхность, t – припуск под фрезерование.

Упомянутые факторы, влияющие негативно на размерную точность и чистоту обработки поверхности, влияют и отрицательно на стойкость и износ инструмента.

В данной работе (на основе опыта эксплуатации, наблюдений и замеров) найдены следующие конструктивные факторы, влияющие отрицательно как на обрабатываемую поверхность, так и на стойкость инструмента. Эти факторы состоят в том, что величина упругого отжатия фрезы А в торцовой части не должна превышать величину радиального биения режущих кромок Вк.

При А > Вк фреза утрачивают контакт с обрабатываемой поверхностью, и затем получает ударную нагрузку. Ударную нагрузку воспринимает сама фреза, а на обрабатываемой поверхности появляются погрешности типа дробления и погрешности плоскостности. Обрабатываемая поверхность получается «дробленой» и фрезерование в этом случае даже для получистового фрезерования нецелесообразна.

Упомянутые выше параметры (неравномерность фрезерования, износ инструмента, погрешность плоскостности) способствующие биению и вибрации фрезы, при А > Вк только усиливают ухудшение поверхности фрезерования, увеличивают износ инструмента и уменьшают срок его службы. Если при А < Вк имеют место колебания и вибрация, то при А > Вк имеет место ударная нагрузка.

При наличии таких эксплуатационных показателей, как ударная нагрузка при фрезеровании длиннокромочной фрезой, при чистовом фрезеровании работу прекращают из-за того, что чистота и шероховатость обрабатываемой поверхности становится неудовлетворительной, а при черновом фрезеровании может произойти поломка фрезы.

При увеличении подачи, твердости обрабатываемого материала, увеличения ширины и глубины фрезерования увеличивается нагрузка на режущую часть фрезы, увеличивается производительность обработки, но при этом нецелесообразно выходить за пределы соотношения А > Вк.

Приведем пример для концевой фрезы по ГОСТ 18372-73 ( Фрезы концевые твердосплавныеком. Технические условия) при числе зубьев Z=5, ширине фрезерования B=20,0 мм,диаметре D=10мм, угле наклона режущих зубьев

σ =850 МПа предел прочности фрезеруемого материала 40Х.

Cогласно ГОСТ12024-2015 допускаемая технологическая погрешность биения режущих кромок Вк= 0,03мм (повышенная точность изготовлекния).

Материал фрезы твердый сплав ВК6. Предел прочности при изгибе твердого сплава 1550 Н/мм². Предел текучести твердого сплава 980 Н/мм². Модуль упругости твердого сплава фрезы Е= 633 ГПА.

Момент инерции сечения фрезы J =178,46 мм⁴ . Площадь сечения фрезы F= 43,6 мм² .

В резании постоянно находится Zp=1,4 зубьев.

Величина коэффициента неравномерности К =1,47 ; фрезерование неравномерное.

Величину распределенного усилия и отжим фрезы определялся по [ 6 -10 ]. корпус фрезы интерпретируется как консольно нагруженная балка, жестко защемленная в (заделке) цанговом патроне.

На рис.3 на основании данных расчета представлена зависимость величины отклонения А

оси фрезы у торцовой части в зависимости от величины распределенной нагрузки Р.

Рис.3. График зависимости величины отжима А (мм) оси корпуса длиннокромочной фрезы от величины распределенной нагрузки на режущую часть фрезы Р Н/мм²; М1-М – участок графика, на котором А меньше величины радиального биения режущих кромок фрезы Вк; М-М2 – участок графика, на котором А больше величины радиального биения режущих кромок фрезы Вк.

Участок М1-М на графике рис.3 соответствует условию, при котором величина отклонения оси фрезы от первоначального положения А меньше технологической погрешности относительного биения режущих кромок фрезы Вк=0,03мм(то есть А < Вк) ; ширина фрезерования В=20мм, Z=4, угол наклона режущих зубьев β= 30ᵒ, величина К = 1,47 (то есть фреза с неравномерным фрезерованием) .

Участок М-М2 на графике рис.3 соответствует условию, при котором А>Вк. В этом случае зубья в течении одного оборота фрезы не только срезают стружку различной толщины, но и утрачивают контакт с обрабатываемой поверхностью, и затем получают ударную нагрузку. Ударную нагрузку воспринимает сама фреза, а на обрабатываемой поверхности появляются погрешности типа дробления. Обрабатываемая поверхность получается «дробленой» и фрезерование в этом случае даже для получистового фрезерования нецелесообразна.

Авторами разработан конструктивный вариант, при котором в торцовой части фрезы дополнительно установлены специальные зубья и обшее число зубьев в торцовой части увеличивается. В результате этого фреза и наиболее подверженная колебаниям, вибрациям и ударам торцовая часть работают более плавно. Увеличение общего числа зубьев в торцовой части способствует уменьшению нагрузки резания на каждый отдельный зуб, делает работу зубьев более стабильной и отсутствует отрыв зубьев фрезы от обрабатываемого материала.

Рис.4.Длиннокромочная концевая фреза с дополнительно установленными специальными зубьями в торцовой части:

1 – корпус фрезы; 2 – зубья основной части фрезы; 3 – дополнительно установленные специальные зубья в торцовой части.

В результате дополнительно установленных специальных зубьев в торцовой части фрезы уменьшаются негативные тенденции в режущих зубьях в виде колебаний, вибраций и ударов, которые порождаются изгибом фрезы; наибольшая величина изгиба нахадится у торцовой части фрезы.

На изгиб концевой фрезы (и на повышенный износ ее торцовой части) влияют также эксплуатационно-технологические факторы. На станках с ЧПУ одна и та же концевая фреза может участвовать в различных технологических операциях фрезерования, где преимущественно нагружена и изнашивается торцовая часть: фрезерование глубоких пазов и уступов с постепенным углублении фрезы, торцовое фрезерование закрытых плоскостей, фрезерование одновременно с радиальной и осевой подачей, плунжерное фрезерование, трохоидальное фрезерование.

При наличии дополнительных зубьев в торцовой части фрезы создаются условия для получения равной стойкости зубьев торцовой и основной части фрезы. На изменение соотношений стойкости зубьев торцовой и основной части фрезы очень сильно влияет технология обработки: соотношение радиальной и осевой подач и наличие операций, когда преимущественно нагружена торцовая часть.

На износ торцовой части длиннокромочных концевых фрез как с равномерным, так и с неравномерным фрезерованием влияют и другие факторы.

На увеличенный износ торцовой части влияет недостаточный отвод теплоты резания от торцовых режущих лезвий. Этот недостаточный отвод теплоты имеет место и при увеличенных радиусах на вершинах режущих лезвий (2мм, 3мм) в том числе и для длиннокромочных концевых фрез со сменными твердосплавными режущими пластинами.

На увеличенный износ торцовой части может влиять недостаточно надежное удаление стружки из зоны резания. Недостаточно надежное удаление стружки связано с тем, что стружка попадает в зону резания и имеет место ее вторичное резание.

Но эти трудности технически устранимы или уменьшены их отрицательные воздействия.

В статье рассмотрено влияние на износ торцовой части фрезы изгиб тела фрезы, который органически имеет место в процессе фрезерования, особенно для длиннокромочных концевых фрез.

ВЫВОДЫ

Произведен анализ пониженной стойкости торцовой части концевой фрезы с учетом деформации корпуса фрезы от сил резания , имеющей наибольшую величину в торцовой части. Выявлена зависимость, при которой для удовлетворительной работы концевой длиннокромочной фрезы величина отжима упругой деформации от сил резания концевой фрезы в торцовой части не должна превышать технологическое биение боковых режущих кромок этой фрезы. Представлен конструктивный вариант, основанный на дополнительной установке специальных зубьев в торцовой части длиннокромочной фрезы для уменьшения колебаний, вибраций и ударов при резании.