Концевые фрезы с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий [1-5] положительно показали себя в производственных условиях. При исследовании этих фрез необходимо анализироать вопросы температурных полей стандартных и специальных зубьев, вопросы увеличения равномерности фрезерования этими зубьями и получаемой чистоты обрабатываемой поверхности, улучшения параметров стружкоотвода.

При различных углах наклона режущих лезвий, где наиболее значимым вариантом является сочетание, при котором стандартные зубья имеют прямые режущие лезвие (угол наклона равен нулю), а специальные зубья имеют имеют косые (или винтовые) режущие лезвия (угол наклона составляет γ= 20-40°), приводит к значительному изменению параметров стружкоотвода.

Cтружкоотвод представляет собой сочетание конструктивных элементов: стружечных канавок, стружкоразделительных канавок, зубьев стандартных и специальных (прямых и косых), пространства между зубьями, высот и углов наклона зубьев. Эти конструктивные элементы являются параметрами стружкоотвода.

Cтружечная канавка представляет собой пространство между зубьями, ограниченное с одной стороны твердосплавными режущими пластинами, а с другой стороны затылками, в котором собирается и накапливается стружка во время рабочего хода зуба; эта стружка выбрасывается из стружечной канавки во время холостого хода зуба.

Cтружкоразделительная канавка – это канавка, выполненная поперек режущих лезвий для разрезания стружки на отдельные части (фрагменты).

Улучшить стружкоотвод это значит изменить сочетание параметров стружкоотвода, изменить сами параметры ( качественно или количественно) или ввести новые параметры

(конструктивные элементы) для того, чтобы ликвидировать заштыбовку стружки или уменьшить количество заштыбовок по условию ухудшения чистоты (увеличения шероховатости) обрабатываемой поверхности или поломки фрезы.

режущих лезвий со стандартными зубьями, имеющая угол наклона режущих лезвий равный нулю и специальные зубья с косыми режущими лезвиями (угол наклона γ= 20-40°).

На рис.1: 1- хвостовик; 2 – цилиндрическая режущая часть; 3- затылки; 4 – стандартные зубья; 5 – прямолинейные боковые режущие лезвия; 6 – торцовые режущие лезвия cтандартных зубьев; 7 – cпециальные зубья; 8- косые боковые режущие лезвия; 9 – торцовые режущие лезвия специальных зубьев; 10 –вершина стандартного зуба; 11 – вершина специального зуба; 12 – торцовая плоскость фрезы; L – высота стандартных зубьев; C – высота специальных зубьев; α – угол наклона торцового лезвия стандартных зубьев; α1- угол наклона торцового лезвия специальных зубьев; γ – угол наклона специальных зубьев к оси цилиндрической поверхности.

На рис.2 представлены стружкоразделительные канавки на стандартных зубьях у

торцовой части фрезы (Вид I (На рис1) и сечение В-В (На рис.1) cпециального зуба.

На рис.2: 12 – торцовая плоскость фрезы; 14 –cтружкоразделительные канавки; L1,L2,…Ln – расстояния стружкоразделительных канавок от торцовой плоскости фрезы; 7 – cпециальные зубья; 8 – косые боковые режущие лезвия; 9 –торцовые режущие лезвия; С1 – длина нижней части специального зуба; C2 – длина режущей вершины специального зуба.

Взаимосвязь конструктивных элементов фрезы на рис.1 и 2 более сложная по сравнению c тем, когда углы наклона режущих лезвий к оси цилиндрической поверхности одинаковые. Все конструктивные элементы и размеры фрезы на рис.1 и 2 взаимосвязаны следующим образом. Концевая фреза, cодержащая (показано на рис.1) хвостовик 1 и цилиндрическую режущую часть 2 диаметра d, включающую затылки 3, cтандартные зубья с прямолинейными боковыми режущими лезвиями 4 высотой L, расположенными на цилиндрической поверхности, и торцовыми режущими лезвиями 6, каждое из которых наклонено под углом α к прямолинейному боковому режущему лезвию, причем вершина 10 каждого зуба образована на пересечении прямолинейного бокового режущего лезвия с торцовым режущим лезвием, а вершины всех зубьев лежат в торцовой плоскости 12, перпендикулярной оси 13 цилиндрической поверхности. Цилиндрическая режущая часть 2 также (показано на рис.1) включает специальные зубья 7 с косыми боковыми режущими лезвиями 8 высотой С, каждое из которых наклонено под углом γ к оси цилиндрической поверхности, и торцовыми режущими лезвиями 9, каждое из которых наклонено под углом α1 к косому боковому режущему лезвию, причем вершина 11 каждого зуба образована на пересечении прямолинейного бокового режущего лезвия с торцовым режущим лезвием, а вершины всех зубьев лежат в торцовой плоскости 12, перпендикулярно оси 13 цилиндрической поверхности.

На зубьях 4 (показано на рис.2) c прямолинейными боковыми режущими лезвиями 5 на высоте протяженностью, равной высоте С зубьев 7 с косыми боковыми режущими лезвиями 8, выполнены стружкоразделительные канавки 14 без перекрытия с постоянными для каждого зуба размерами L1,L2,…Ln от торцовой плоскости 12 фрезы, где n – число стружкоразделительных канавок, причем шаг стружкоразделительных канавок равен удвоенной ширине этих канавок.

Концевая фреза с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий испытывалась при обработке обычных машиностроительных сталей, и труднообрабатываемых сталей: cталь 40Х , cталь 40ХН2МА твердостью НВ 241-285, а также сталь18Х2Н4МА твердостью НВ 241-285 по ГОСТ 4543-71. Эти стали имеют сегментную стружку, которая состоит из слабо связанных между собой фрагментов и рассыпается при приложении небольшого усилия, например при встрече со стенками стружечной канавки. Наличие дополнительного числа косых режущих лезвий в торцовой части фрезы обеспечивает повышенную стойкость (в 1,6…2,3 раза) фрезы, а наличие угла наклона у дополнительных косых режущих лезвий обеспечивает отсутствие заштыбовки стружки, так как стружка (благодаря этому углу наклона) поднимается вверх в зону с меньшим числом режущим зубьев и достаточным стружкоотводом. В тоже время зубья с прямолинейными режущими лезвиями на высоте равной высоте зубьев с косыми режущими лезвиями, снимают стружку в два раза меньшей толщины, что положительно сказывается на стружкоотводе. Однако рабоспособность режущего инструмента (в отличие от машинных деталей) зависит не только от приложенных нагрузок в виде сил резания на режущих лезвиях, но и от вида стружки. При фрезеровании мягких и вязких металлов (сталь 08,cталь 10,cталь 20 твердостью твердостью НВ 120-140 по ГОСТ 4543-71 имеет место сливная стружка. Сливная стружка имеет вид сплошной ленты и не разрушается с твердым препятствием, а только деформируется.

Cливная стружка, срезаемая зубьями с прямолинейными режущими лезвиями на высоте протяженностью, равной высоте зубьев с косыми режущими лезвиями, перемещается горизонтально и при встрече со стенками стружечной канавки деформируется, вследствие чего она застревает между режущими лезвиями (это фиксируется визуально), подвергается наклепу, нагреву, закалке, повторному резанию и создает условия для поломки фрезы. Заштыбовка (визуально видимое застревание) сливной стружки происходит между зубьями с прямолинейными режущими лезвиями на высоте, протяженностью равной высоте зубьев с косыми режущими лезвиями, и опережающими зубьями с косыми режущими лезвиями. Заштыбовка стружки приводит к увеличению шероховатости обрабатываемой поверхности, интенсивному износу режущих зубьев и поломке фрезы.

При работе фрез с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий в экстремальных случаях (которые всегда могут возникнуть на производстве) лимитирующими по условию прочности являются специальные зубья. Обычно режущие пластины из твердого сплава в специальных зубьях не ломаются (несмотря на то, материал этих пластин хрупкий), а разрушается паяный шов и его разрушение начинается на участке перед зубом в той зоне, где паяный шов работает на растяжение. При необходимости усиления прочности специального зуба (при недостаточной прочности применяемого припоя или прочности твердосплавной пластины) конструкцию специального зуба выполняют такой, чтобы длина нижней части С1 специального зуба была в 2-3 раза больше длины С2 ( рис.2 ) участвующей в резании режущей части пластины на вершине специального зуба.

Подчеркнем, что стали, дающие сливную стружку: сталь 08, сталь 10, cталь 20, Cт3кп, Cт3сп достаточно широко применяются в машиностроении; из них изготавливают блоки, траверсы, кронштейны, элементы сварных конструкций. Поэтому при обработке таких сталей концевой фрезой с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий необходимо решать задачу по улучшению параметров стружкоотвода.

Эта задача решена следующим образом. Для возможности увеличения стружкоотвода на зубьях с прямолинейными режущими лезвиями на высоте протяженностью, равной высоте зубьев с косыми режущими лезвиями, выполнены стружкоразделительные канавки без перекрытия с постоянными для каждого зуба (с прямолинейными режущими лезвиями) размерами от торцовой плоскости фрезы, причем шаг стружкоразделительных канавок равен удвоенной ширине этих канавок.

Cтружкоразделительные канавки выполнены без перекрытия, так как эти канавки выполнены только на половине от общего числа зубьев, то есть на зубьях с прямолинейными режущими лезвиями. Несрезанная часть металла, оставшаяся после стружкоразделительных канавок, срезается зубьями с косыми режущими лезвиями, которые не имеют стружкоразделительных канавок. Окончательно формируют участок обрабатываемой поверхности протяженностью С косые режущие лезвия.

Шаг стружкоразделительных канавок равен удвоенной ширине этих канавок с той целью, чтобы срезаемые участки стружки, как зубьями с прямолинейными режущими лезвиями, так и зубьями с косыми режущими лезвиями, имели одинаковую ширину и имели одинаковые условия по деформации в стружечной канавке.

Постоянные для каждого зуба (с прямолинейными режущими лезвиями) размеры от торцовой плоскости фрезы нужны для того, чтобы разместить большее число канавок.

Cтружкоотвод улучшается, когда стружка разрезается стружкоразделительными канавками на мелкие полоски, которые лучше размещаются и складируются в стружечной канавке у торцовой плоскости фрезы и выбрасываются из этой канавки при выходе зуба из резания во время холостого хода. Визуально наличие заштыбовки стружки определяется, когда стружка застревает между зубьями, циркулирует и не отходит от фрезы. При отсутствии заштыбовки этого не происходит – это объективно проявляющийся технический результат при применении стружкоразделительных канавок.

При фрезеровании режущие зубья с прямолинейными режущими лезвиями срезают стружку, которая падает от собственного веса вниз и собирается в стружечной канавке у торцовой плоскости. Если стружка сливная, то она закручивается, представляет собой путаный клубок у торцовой части зуба и застревает в стружечной канавке.

Рис.3. Направление движения стружки от стружкоразделительных канавок

На рис.3 видна причина неудовлетворительной работы фрезы при обработке мягких и вязких сталей, когда имеет место сливная стружка.

На рис.3: 4 – cтандартный зуб; 7 – специальный зуб; 12 – торцовая плоскость фрезы; А1-стружечная канавка между отстающим стандартным зубом и опережающим специальным зубом; А2 -    стружечная канавка между отстающим стандартным зубом и опережающим специальным зубом; А – стружечная канавка между стандартными зубьями; L – высота стандартного зуба; C –высота специального зуба;Рc – суммарная сила, под действием которой стружка сходит с режущего лезвия; Рс1 –суммарная сила, которой стружка прижимается к торцовой плоскости.

На рис.3 показано стрелками направление движения стружки, идущей от прямолинейного бокового режущего лезвия, которое имеет стружкоразделительные канавки. Из рис.3 видно, что срезаемая стружка падает не только от собственного веса вниз к торцовой плоскости, но еще и прижимается к торцовой плоскости, отталкиваясь от затылка опережающего зуба, под действием суммарной силы Рс1=Рс·tgγ, где Рс – суммарная сила, c которой стружка сходит с режущего лезвия 4; величина γ = 30-35º.

Реально стружка, когда сходит с режущего лезвия 4, деформирует в кольцеобразную форму, но важно то, что эта стружка все равно удаляется от режущего зуба 4 в том направлении, как показано на рис. 3. Cила Рс небольшая по величине, но сливная стружка ведет себя как пластический шарнир, огибая твердые препятствия и устремляясь к торцовой плоскости фрезы, где она накапливается, пакетируется и застревает в стружечной канавке.

Применение стружкоразделительных канавок, естественно, должен сочетаться с вопросом о форме этих канавок и их несущей способности. Но в некоторых случаях, учитывая сравнительно небольшую высоту зуба с косым боковым режущим лезвием, которая принимается от С= 4мм до С= 7мм (больше высоту С специального зуба делать нерационально во избежании заштыбовки стружки), удается разместить только одну канавку или две канавки на этой высоте в зубьях с прямым режущим лезвием даже без наличия взаимного перекрытия этих канавок. Ширина стружкоразделительных канавок обычно принимается от 0,6 мм до 1,2 мм (исходя из опыта технологии изготовления этих канавок и их несущей способности). При этом необходимо учитывать радиус или фаску на вершине зуба, величины которых уменьшают участок для размещения канавок. На вершине зуба может быть небольшой величины радиус (порядка 0,1 мм), но может быть значительной величины упрочняющая фаска; в ГОСТ 20538-75 эта фаска достигает величины 1,0 мм.

В настоящее время существует сравнительно большое количество конструкций, форм и размеров стружкоразделительных канавок и исследований в этой области. В работе [ 6 ] разработаны рациональные величины шагов и параметров стружкоразделительных канавок для улучшения стружкоотвода с учетом динамических составляющих на фрезерование, спектрального состава сил резания и виброустойчивости фрезы. Cтружкоразделительные канавки в этих фрезах выполняются на всех зубьях, поэтому делаются обязательно с определенным перекрытием, то есть канавки последующего зуба режут металл совсем в другом месте, cмещаясь от того места, где резали канавки предыдущего зуба для устранения необработанных участков.

Концевая фреза с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий [ 1 ] (в данном сочетании конструктивных вариантов) разработана и выполнена на базе концевой фрезы по ТУ 2-035-591-77 «Концевые фрезы с коническим хвостовиком, оснащенные прямыми пластинами из твердого сплава». Эта фреза положительно показала себя в производственных условиях механического цеха.

Заметим, что в данном сочетании конструктивных вариантов (прямые стандартные зубья и косые специальные зубья) устранить заштыбовку стружки путем уменьшения высот специальных зубьев не приводит к положительному результату. Так как в этом случае работа по транспортировке стружки вверх специальными зубьями из зоны резания уменьшается.

Наличие стружкоразделительных канавок на стандартных зубьях концевой фрезы с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий при обработке сталей, имеющих только сегментную стружку мало эффективно, но необходимо обратить внимание на следующее.    Промышленное применение концевых фрез сосредоточено в основном на использовании станков с ЧПУ. На этих станках одной фрезой могут обрабатываться в одной детали различные поверхности с различной твердостью, дающие различные виды стружек (как сегментных, так и сливных).

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.