Фреза

Фреза — это многолезвийный режущий инструмент, предназначенный для обработки материалов (металлов, древесины, пластмасс, камня и других) методом фрезерования. Фреза представляет собой тело вращения с зубьями (режущими кромками), расположенными на цилиндрической, торцевой, конической или фасонной поверхности. В процессе работы фреза совершает главное вращательное движение, а заготовка — движение подачи (поступательное, вращательное или криволинейное). Фрезы являются основным рабочим инструментом фрезерных станков, обрабатывающих центров с ЧПУ, а также ручных фрезерных машин.

История

Прообразы современных фрез появились в конце XVIII века. Первые конструкции представляли собой напильники, закреплённые во вращающемся патроне. В 1818 году американский изобретатель Эли Уитни создал первый прототип фрезерного станка, однако широкое распространение фрезы получили после работ американского инженера Джозефа Брауна. В 1864 году Браун разработал универсальную фрезу с винтовыми зубьями, что позволило значительно повысить чистоту обрабатываемой поверхности и снизить вибрации. В XX веке с развитием металлорежущих станков и появлением твёрдосплавных материалов конструкция фрез совершенствовалась: появились сборные фрезы с механическим креплением режущих пластин, фрезы с напайными твёрдосплавными зубьями, а затем и сменные многогранные пластины из современных износостойких сплавов.

Классификация фрез

Фрезы классифицируются по нескольким основным признакам: конструктивному исполнению, направлению зуба, типу обрабатываемого материала, способу крепления и технологическому назначению.

По направлению зуба

• С прямым зубом — режущие кромки параллельны оси фрезы. Используются для обработки узких пазов и уступов, но создают повышенную вибрацию.
• С винтовым (наклонным) зубом — зубья расположены под углом к оси. Обеспечивают более плавное резание, снижают ударные нагрузки, улучшают качество поверхности. Наиболее распространённый тип.
• С разнонаправленным зубом — зубья имеют противоположные направления наклона (например, у концевых фрез для обработки пазов в древесине).

По конструктивному исполнению

• Цельные — изготавливаются целиком из одного материала (быстрорежущая сталь, твёрдый сплав). Применяются для высокоскоростной обработки, имеют малые диаметры.
• Сборные — корпус фрезы выполнен из конструкционной стали, а режущие элементы (ножи, пластины) крепятся механически (винтами, клиньями). Позволяют заменять затупившиеся части без замены всего инструмента.
• С напайными пластинами — режущие пластины из твёрдого сплава припаиваются к корпусу. Используются для обработки прочных материалов.

По типу обрабатываемого материала

• Для металлов — из быстрорежущей стали (Р6М5, Р18) или твёрдых сплавов (ВК8, Т15К6). Имеют высокую твёрдость и термостойкость.
• Для древесины — из инструментальной стали или с твёрдосплавными напайками. Отличаются большим количеством зубьев и специальными геометриями для чистовой обработки.
• Для пластмасс и композитов — с острыми режущими кромками и полированными передними поверхностями для предотвращения налипания материала.
• Для камня и бетона — оснащаются алмазными или твердосплавными сегментами, работают с водяным охлаждением.

По способу крепления

• Насадные — имеют отверстие под оправку. Устанавливаются на горизонтально-фрезерных станках. Диаметр — от 40 до 500 мм.
• Концевые (хвостовые) — имеют цилиндрический или конический хвостовик (например, конус Морзе, конус HSK). Крепятся в патроне или цанге. Диаметр — от 1 до 63 мм.
• Специальные — для крепления на конкретных моделях станков (например, фрезы для зуборезных головок).

Основные виды фрез по технологическому назначению

Цилиндрические фрезы

Предназначены для обработки плоскостей на горизонтально-фрезерных станках. Режущие зубья расположены на цилиндрической поверхности. Бывают с прямым и винтовым зубом. Обеспечивают высокую производительность, но требуют жёсткой фиксации заготовки.

Торцевые фрезы

Используются для обработки плоскостей на вертикально-фрезерных станках. Режущие кромки расположены на торце и на периферии. Обеспечивают высокую чистоту поверхности и точность. Наиболее распространённый тип в современном машиностроении.

Концевые фрезы

Применяются для обработки пазов, уступов, контуров, карманов. Имеют режущие кромки на торце и на цилиндрической части. Различают:

• Обычные концевые — с двумя, тремя или четырьмя зубьями.
• Шаровые (сферические) — с полусферическим торцом, для обработки трёхмерных поверхностей (например, в пресс-формах).
• Фасонные — с профилем, соответствующим форме детали (например, галтельные, радиусные).

Дисковые фрезы

Имеют форму диска с зубьями на периферии. Используются для прорезания пазов, отрезки заготовок, обработки канавок. Различают:

• Пазы — для узких и глубоких пазов.
• Отрезные — для разрезания материала на части.
• Прорезные — для шлицев и канавок под шпонки.

Угловые фрезы

Предназначены для обработки наклонных плоскостей, угловых пазов и фасок. Режущие кромки расположены на конической поверхности. Различают одноугловые и двухугловые фрезы.

Фасонные фрезы

Имеют сложный профиль режущей части, соответствующий профилю обрабатываемой детали. Применяются для изготовления зубчатых колёс (модульные фрезы), резьбовых деталей, кулачков и других фасонных поверхностей.

Фрезы для обработки древесины

В деревообработке применяются как насадные, так и концевые фрезы. Особенности:

• Пазовые — для прямоугольных и Т-образных пазов.
• Кромочные — для обработки кромок (профильные, калёвочные).
• Копировальные — с подшипником для точного копирования шаблона.
• Фальцевые — для выборки четвертей.

Материалы для изготовления фрез

Выбор материала фрезы определяется обрабатываемым материалом, режимами резания и требуемой стойкостью инструмента.

• Быстрорежущие стали (Р6М5, Р18, Р9) — используются для фрез общего назначения. Обладают высокой прочностью и вязкостью, но ограниченной термостойкостью (до 600 °C).
• Твёрдые сплавы (ВК8, Т15К6, Т5К10) — на основе карбида вольфрама и кобальта. Обеспечивают высокую твёрдость и износостойкость, работают при температурах до 900–1000 °C. Применяются для обработки сталей, чугунов, цветных металлов.
• Минералокерамика — на основе оксида алюминия. Используется для высокоскоростной обработки чугуна и закалённых сталей. Хрупка, требует жёстких станков.
• Сверхтвёрдые материалы (кубический нитрид бора, поликристаллический алмаз) — для обработки твёрдых сплавов, стекла, керамики, абразивных материалов. Обеспечивают максимальную стойкость, но высокую стоимость.
• Инструментальные стали (У8, У10, ХВГ) — для фрез по дереву и мягким материалам.

Конструктивные элементы и геометрия

Основные элементы фрезы:

• Корпус — несущая часть, обеспечивающая жёсткость и крепление.
• Зубья (режущие элементы) — имеют переднюю и заднюю поверхности, режущую кромку.
• Стружечные канавки — пространство между зубьями для отвода стружки.
• Хвостовик (у концевых фрез) — для закрепления в шпинделе станка.
• Отверстие (у насадных фрез) — для установки на оправку.

Геометрические параметры режущей части (углы заточки) зависят от обрабатываемого материала:

• Передний угол γ — от 5° до 20° (для сталей — 10–15°, для алюминия — 20–25°).
• Задний угол α — от 8° до 15°.
• Угол наклона винтовой канавки ω — от 15° до 45° (для чистовой обработки — большие углы).

Применение

Фрезы используются во всех отраслях промышленности, связанных с механической обработкой материалов:

• Машиностроение — изготовление корпусных деталей, валов, шестерён, штампов, пресс-форм.
• Авиа- и ракетостроение — обработка лёгких сплавов, титана, композитов.
• Деревообработка — производство мебели, окон, дверей, паркета, погонажных изделий.
• Строительство — обработка бетона, кирпича, камня (алмазные фрезы).
• Медицина — изготовление стоматологических боров, хирургических фрез (для костной ткани).
• Ювелирное дело — гравировка, обработка мелких деталей из драгоценных металлов.

Интересные факты

• Самая большая фреза в мире (диаметром около 5 метров) используется в горнодобывающей промышленности для проходки тоннелей — это фреза проходческого комбайна.
• В микроэлектронике применяются фрезы диаметром менее 0,1 мм для обработки печатных плат.
• Первые фрезы с механическим креплением многогранных пластин появились в 1950-х годах и произвели революцию в металлообработке, позволив сократить время замены инструмента в десятки раз.
• Фрезы с алмазным покрытием способны обрабатывать закалённые стали с твёрдостью до 70 HRC (единиц по шкале Роквелла).

Источники

• Справочник технолога-машиностроителя. Том 2 / Под ред. А. Г. Косиловой и Р. К. Мещерякова. — М.: Машиностроение, 1985.
• Грановский Г. И. Резание металлов. — М.: Машиностроение, 1985.
• Справочник инструментальщика / Под ред. И. А. Ординарцева. — Л.: Машиностроение, 1979.
• ГОСТ 25716-94 «Фрезы концевые. Технические условия».
• ГОСТ 24359-80 «Фрезы торцевые насадные. Технические условия».