Фрезерная обработка

Фрезерная обработка — это технологический процесс механической обработки резанием, при котором снятие слоя материала с заготовки производится вращающимся многолезвийным инструментом — фрезой. Фрезерование является одним из наиболее распространённых и универсальных методов формообразования деталей, применяемым в машиностроении, приборостроении, авиастроении, деревообработке и других отраслях промышленности. В отличие от точения, где заготовка вращается, при фрезеровании главное движение (вращение) совершает инструмент, а движение подачи (поступательное или вращательное) — заготовка или фреза.

История развития

Ранние этапы

Прообразы фрезерования появились ещё в XVIII веке. Первые механические устройства для обработки металлов вращающимся инструментом были созданы для изготовления часовых механизмов и оружейных деталей. В 1818 году американский изобретатель Эли Уитни сконструировал один из первых прототипов фрезерного станка для производства взаимозаменяемых деталей стрелкового оружия. Однако этот станок ещё не имел механической подачи и был примитивным по современным меркам.

Промышленная революция

Значительный вклад в развитие фрезерной обработки внёс американский инженер Джозеф Браун (Joseph R. Brown) в 1860-х годах. Он создал универсальный фрезерный станок с консолью и делительной головкой, что позволило обрабатывать сложные поверхности, включая винтовые канавки свёрл. В 1867 году Браун представил станок на Парижской выставке, что способствовало его распространению в Европе. К концу XIX века фрезерные станки стали стандартным оборудованием машиностроительных заводов.

XX век

В первой половине XX века фрезерные станки оснащались механическими коробками скоростей и подач. В 1940-х годах появились первые станки с числовым программным управлением (ЧПУ), разработанные в Массачусетском технологическом институте (США). В СССР серийное производство станков с ЧПУ началось в 1960-х годах. Развитие микроэлектроники и компьютерных технологий во второй половине XX века привело к созданию многоцелевых обрабатывающих центров с ЧПУ, способных выполнять фрезерование, сверление, растачивание и нарезание резьбы за одну установку заготовки.

Физические основы процесса

Кинематика

При фрезеровании различают два основных движения:

• Главное движение (Dr) — вращение фрезы. Оно характеризуется частотой вращения (n, об/мин) и скоростью резания (V, м/мин).
• Движение подачи (Ds) — перемещение заготовки или фрезы. Оно может быть продольным, поперечным, вертикальным или круговым. Подача измеряется в мм/об (на один оборот фрезы), мм/мин (минутная подача) или мм/зуб (на один зуб фрезы).

Срезаемый слой

Каждый зуб фрезы срезает слой материала переменной толщины. Толщина срезаемого слоя (a) зависит от подачи на зуб (Sz) и угла контакта зуба с заготовкой. При встречном фрезеровании толщина слоя увеличивается от нуля до максимума, при попутном — уменьшается от максимума до нуля. Ширина фрезерования (B) — это размер обрабатываемой поверхности в направлении, перпендикулярном движению подачи.

Силы резания

В процессе фрезерования на фрезу действуют тангенциальная (окружная), радиальная и осевая составляющие силы резания. Результирующая сила вызывает упругие деформации в системе «станок — приспособление — инструмент — деталь» (СПИД). Для снижения вибраций и повышения точности обработки применяют жёсткие конструкции станков, демпфирующие опоры и специальные конструкции фрез (например, с неравномерным шагом зубьев).

Классификация фрезерной обработки

По направлению подачи

• Встречное фрезерование (против подачи) — направление подачи заготовки противоположно направлению вращения фрезы в зоне контакта. Зуб фрезы начинает резание с нулевой толщины срезаемого слоя, что вызывает упругое скольжение и наклёп поверхности. Применяется при черновой обработке литых и кованых заготовок с твёрдой коркой.
• Попутное фрезерование (по подаче) — направление подачи совпадает с направлением вращения фрезы. Зуб фрезы начинает резание с максимальной толщины срезаемого слоя. Обеспечивает меньшую шероховатость поверхности и более высокую стойкость инструмента, но требует отсутствия зазоров в механизме подачи станка (для предотвращения рывков).

По типу обрабатываемой поверхности

• Плоское фрезерование — обработка горизонтальных, вертикальных и наклонных плоскостей. Выполняется цилиндрическими (обработка периферией фрезы) или торцевыми фрезами (обработка торцом фрезы).
• Уступное фрезерование — получение прямоугольных пазов и уступов. Используются концевые и дисковые фрезы.
• Фасонное фрезерование — обработка криволинейных поверхностей (например, вогнутых или выпуклых). Применяются фасонные фрезы с профилем, соответствующим профилю детали.
• Резьбофрезерование — нарезание резьбы гребенчатыми или дисковыми резьбовыми фрезами.
• Зубофрезерование — нарезание зубьев зубчатых колёс червячными или дисковыми модульными фрезами.

По расположению оси фрезы

• Горизонтальное фрезерование — ось фрезы расположена горизонтально. Характерно для цилиндрических и дисковых фрез.
• Вертикальное фрезерование — ось фрезы расположена вертикально. Характерно для торцевых и концевых фрез.

Инструмент для фрезерной обработки

Типы фрез

Фрезы классифицируются по конструкции, форме и назначению:

• Цилиндрические — для обработки широких плоскостей на горизонтально-фрезерных станках.
• Торцевые — для обработки плоскостей на вертикально-фрезерных станках. Обеспечивают высокую производительность.
• Концевые — для обработки уступов, пазов, контуров. Изготавливаются цельными (из быстрорежущей стали или твёрдого сплава) или со сменными пластинами.
• Дисковые — для прорезания пазов, отрезки заготовок. Бывают пазовые, трёхсторонние, отрезные.
• Угловые — для обработки наклонных плоскостей и канавок (например, стружечных канавок свёрл).
• Фасонные — для обработки профильных поверхностей (выпуклые, вогнутые, комбинированные).
• Червячные — для нарезания зубьев зубчатых колёс методом обката.

Материалы режущей части

• Быстрорежущая сталь (Р6М5, Р18) — для обработки конструкционных сталей, цветных металлов и пластмасс при умеренных скоростях резания.
• Твёрдые сплавы (ВК8, Т5К10, Т15К6) — для высокоскоростной обработки сталей, чугунов, жаропрочных сплавов. Наиболее распространены сменные многогранные пластины (СМП) с износостойкими покрытиями (TiN, TiAlN, AlCrN).
• Минералокерамика и режущая керамика — для чистовой обработки закалённых сталей и чугунов на высоких скоростях.
• Сверхтвёрдые материалы (кубический нитрид бора, поликристаллический алмаз) — для обработки алюминиевых сплавов, композитов, твёрдосплавных заготовок.

Оборудование

Универсальные фрезерные станки

• Горизонтально-фрезерные — оснащены горизонтальным шпинделем. Предназначены для обработки цилиндрическими и дисковыми фрезами.
• Вертикально-фрезерные — имеют вертикальный шпиндель. Используются для торцевого и концевого фрезерования.
• Универсально-фрезерные — имеют поворотный стол, позволяющий обрабатывать винтовые поверхности. Оснащаются делительными головками.

Станки с ЧПУ

Современные фрезерные станки с ЧПУ (числовым программным управлением) позволяют автоматизировать процесс обработки. Они управляются с помощью G-кода (ISO 7 бит) или специализированных постпроцессоров. Классификация станков с ЧПУ:

• Фрезерные обрабатывающие центры — многоцелевые станки с автоматической сменой инструмента (магазин на 20–120 инструментов) и поворотными столами (до 5 осей).
• Высокоскоростные фрезерные станки — с частотой вращения шпинделя до 40 000–60 000 об/мин для обработки алюминиевых сплавов и пластмасс.
• Портальные фрезерные станки — для обработки крупногабаритных деталей (штампов, пресс-форм, корпусов судов). Имеют неподвижную портальную станину и подвижный стол.

Специализированное оборудование

• Копировально-фрезерные станки — для изготовления деталей по шаблону (например, кулачков, штампов).
• Зубофрезерные станки — для нарезания зубчатых колёс червячными фрезами.
• Резьбофрезерные станки — для нарезания наружных и внутренних резьб.
• Гравировально-фрезерные станки — для художественной обработки, изготовления печатных плат, штампов для ювелирных изделий.

Технологические особенности

Режимы резания

Основные параметры режима резания включают:

• Скорость резания (V, м/мин) — окружная скорость фрезы. Для быстрорежущих фрез составляет 20–40 м/мин (сталь), для твёрдосплавных — 80–300 м/мин.
• Подача на зуб (Sz, мм/зуб) — зависит от материала заготовки, типа фрезы и требуемой шероховатости. Обычно находится в диапазоне 0,01–0,5 мм/зуб.
• Глубина резания (t, мм) — толщина слоя материала, снимаемого за один проход. При черновой обработке может достигать 5–10 мм, при чистовой — 0,1–1 мм.

Охлаждение и смазка

Для снижения температуры в зоне резания, уменьшения износа инструмента и улучшения качества поверхности применяют смазочно-охлаждающие технологические средства (СОТС):

• Эмульсии (водные растворы масел) — для большинства операций.
• Минеральные масла — для резьбо- и зубофрезерования.
• Сжатый воздух или туман — при высокоскоростной обработке алюминия.
• Сухое фрезерование — при обработке чугунов и некоторых пластмасс.

Типичные дефекты и их причины

• Повышенная шероховатость — износ фрезы, большая подача, вибрации.
• Прижоги и изменение структуры металла — высокая скорость резания, недостаточное охлаждение.
• Размерный износ инструмента — неправильно выбранные режимы, биение фрезы.
• Поломка фрезы — перегрузка, зазоры в механизме подачи, неправильное крепление заготовки.

Применение

Фрезерная обработка используется в производстве деталей практически всех отраслей промышленности:

• Машиностроение — корпусные детали (станины, коробки передач), рычаги, кронштейны, валы с пазами.
• Авиастроение — лонжероны, шпангоуты, панели крыла из алюминиевых и титановых сплавов.
• Автомобилестроение — блоки цилиндров, головки блока, картеры, детали подвески.
• Приборостроение — корпуса приборов, платы, детали оптических систем.
• Деревообработка — изготовление мебельных фасадов, профильного погонажа, декоративных элементов.
• Медицина — производство имплантатов (титановые пластины, эндопротезы) на станках с ЧПУ.
• Инструментальное производство — изготовление штампов, пресс-форм, литейных моделей.

Источники

1. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х томах / Под ред. А. Г. Косиловой и Р. К. Мещерякова. — 4-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1985.
2. Справочник по обработке металлов резанием / Под ред. А. Н. Резникова. — М.: Машиностроение, 1986.
3. Обработка металлов резанием: Учебник / В. А. Схиртладзе, В. Ю. Новиков, В. Г. Боровков. — М.: Высшая школа, 2008.
4. Фрезерное дело: Учебное пособие / И. И. Кучер, М. А. Семёнов. — Л.: Машиностроение, 1972.
5. Технология машиностроения: Учебник / В. М. Бурцев, А. С. Васильев, В. В. Клепиков. — М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011.
6. ISO 3002-1:1982. Основные параметры резания. Часть 1: Термины и определения.