Концевая фреза

Концевая фреза — это режущий инструмент с зубьями на торце и цилиндрической боковой поверхности, предназначенный для обработки металлов, дерева, пластика и других материалов на фрезерных станках и обрабатывающих центрах с числовым программным управлением (ЧПУ). Относится к классу концевых фрез (в отличие от торцевых, дисковых или угловых), основная особенность — возможность осуществлять не только боковое (периферийное), но и осевое врезание (сверление), что позволяет выполнять пазы, уступы, выборки, контурную обработку и трёхмерное фрезерование.

История

Прообразы современных концевых фрез появились в конце XVIII — начале XIX века вместе с развитием металлорежущих станков. Первые фрезы представляли собой цельные стальные заготовки с нарезанными вручную зубьями. В 1860-х годах, с внедрением быстрорежущей стали (HSS), инструмент стал более износостойким. Массовое применение концевых фрез началось в XX веке с развитием горизонтально- и вертикально-фрезерных станков.

Ключевой этап — изобретение в 1930-х годах твёрдосплавных пластин (карбид вольфрама), которые позволили значительно повысить скорость резания и стойкость инструмента. В 1950–1960-х годах, с появлением станков с ЧПУ, конструкция концевых фрез была оптимизирована для автоматизированной обработки: разработаны специальные геометрии канавок, покрытия (TiN, TiAlN, AlCrN) и системы крепления.

В конце XX — начале XXI века широкое распространение получили концевые фрезы со сменными режущими пластинами (механическое крепление), что снизило затраты на переточку. В настоящее время активно развиваются инструменты из сверхтвёрдых материалов (кубический нитрид бора, поликристаллический алмаз) и фрезы с оптимизированной 3D-геометрией для высокоскоростной обработки (HSM).

Устройство и конструкция

Концевая фреза состоит из следующих основных элементов:

• Хвостовик — цилиндрическая или коническая часть для закрепления в шпинделе станка. Бывает гладким (цилиндрическим), с лыской, с резьбой (для цанговых патронов), коническим (конус Морзе, HSK, SK) или с системой быстрой смены (Capto, KM). Диаметр хвостовика обычно соответствует посадочному отверстию патрона.
• Рабочая часть — участок с режущими зубьями. Длина рабочей части определяет максимальную глубину резания. Включает:
• Переднюю поверхность — по которой сходит стружка.
• Заднюю поверхность — обеспечивающую зазор между инструментом и заготовкой.
• Режущую кромку — линию пересечения передней и задней поверхностей.
• Канавки (стружечные канавки) — спиральные или прямые пазы, отводящие стружку из зоны резания. Угол наклона канавки (обычно 30–45°) влияет на плавность резания и качество обработанной поверхности.
• Торец — режущая часть на конце фрезы. Может быть плоским (с центральным отверстием или без), сферическим (радиусным), коническим или с фаской.

Типы хвостовиков

Классификация

Концевые фрезы классифицируются по нескольким признакам.

По материалу режущей части

• Из быстрорежущей стали (HSS) — наиболее распространённые, относительно недорогие, подходят для обработки мягких сталей, цветных металлов, пластиков. Термостойкость до 600 °C.
• Твёрдосплавные (карбид вольфрама, WC-Co) — высокая твёрдость, износостойкость, термостойкость до 900–1000 °C. Используются для высокоскоростной обработки закалённых сталей, чугуна, титановых сплавов.
• С покрытием — нанесение износостойких покрытий (TiN — золотистый, TiAlN — серо-фиолетовый, AlCrN — чёрный, DLC — алмазоподобное) повышает стойкость в 2–5 раз.
• Из сверхтвёрдых материалов — кубический нитрид бора (CBN) для обработки закалённых сталей (HRC > 50), поликристаллический алмаз (PCD) для алюминия, композитов, цветных сплавов.

По геометрии торца

• Плоский торец (square end mill) — прямые кромки, образуют 90° угол. Используются для пазов, уступов, прямоугольных выборок.
• Со сферическим торцом (ball nose end mill) — полусферическая форма. Применяются для трёхмерного фрезерования, обработки криволинейных поверхностей, штампов, пресс-форм.
• С радиусом (corner radius end mill) — скруглённая кромка между торцом и боковой поверхностью. Снижает концентрацию напряжений, уменьшает износ, улучшает качество поверхности.
• Конические (tapered end mill) — сужающаяся рабочая часть. Для обработки наклонных поверхностей, литейных форм, гравировки.

По количеству зубьев

• 2 зуба (двухзаходные) — большие стружечные канавки, эффективный отвод стружки. Для мягких материалов (алюминий, пластик), высокопроизводительного чернового фрезерования.
• 3–4 зуба — универсальный вариант, баланс между производительностью и качеством поверхности.
• 5–6 зубьев — высокая частота резания, гладкая поверхность. Для чистовой обработки сталей, чугуна.
• Многозубые (8–12 зубьев) — для высокоскоростной обработки тонкостенных деталей, финишных операций.

По способу крепления режущих элементов

• Цельные — режущая часть и хвостовик выполнены из одного материала (обычно твёрдый сплав). Обеспечивают максимальную жёсткость и точность.
• Со сменными пластинами — на корпусе фрезы закреплены твёрдосплавные или керамические пластины с помощью винтов или клиньев. Позволяют быстро заменять изношенные элементы без переточки всего инструмента.
• Сборные — режущие элементы (ножи) могут быть переставлены или заменены.

Применение

Концевые фрезы используются в различных отраслях промышленности и ремёслах:

• Металлообработка — фрезерование пазов, канавок, уступов, карманов, контуров, отверстий, резьб (с помощью резьбовых фрез). Обработка сталей, чугуна, алюминия, титана, нержавеющих сталей.
• Деревообработка — выборка четвертей, пазов, шипов, фигурная обработка (с помощью фрез с подшипником). Используются в ручных фрезерах и станках с ЧПУ.
• Пластмассы и композиты — обработка акрила, поликарбоната, стеклотекстолита, углепластика. Требуют специальных геометрий (острые кромки, полированные канавки) для предотвращения оплавления и расслоения.
• Ювелирное дело и моделирование — миниатюрные фрезы (диаметр от 0,1 мм) для гравировки, изготовления штампов, пресс-форм, прототипов.
• Авиа- и автомобилестроение — высокоскоростное фрезерование лопаток турбин, корпусных деталей, штампов.

Технические параметры и выбор

При выборе концевой фрезы учитываются:

• Диаметр рабочей части — от 0,5 мм до 50 мм и более. Определяет ширину паза.
• Длина рабочей части — максимальная глубина резания. Для глубоких пазов (соотношение длина/диаметр > 3) требуются специальные удлинённые фрезы.
• Угол наклона канавки — влияет на плавность резания, отвод стружки, вибрации. Для алюминия — 45°, для стали — 30–35°.
• Тип покрытия — выбирается в зависимости от обрабатываемого материала и режимов резания.
• Точность (класс допуска) — для прецизионной обработки (например, штампов) используются фрезы с допуском по диаметру h6 или h5.

Интересные факты

• Первая в мире концевая фреза с твёрдосплавными пластинами была запатентована в 1938 году компанией Krupp (Германия).
• Современные фрезы для высокоскоростной обработки могут работать при частоте вращения шпинделя до 60 000 об/мин и более.
• Для обработки титановых сплавов применяются фрезы с переменным шагом зубьев, что снижает вибрации и увеличивает стойкость.
• В России производство концевых фрез регламентируется ГОСТами (например, ГОСТ 17025-71 для фрез с цилиндрическим хвостовиком, ГОСТ 17026-71 для фрез с коническим хвостовиком), а также международными стандартами ISO 1641 и DIN 844.

Источники

• ГОСТ 17025-71 «Фрезы концевые с цилиндрическим хвостовиком. Конструкция и размеры».
• ГОСТ 17026-71 «Фрезы концевые с коническим хвостовиком. Конструкция и размеры».
• ISO 1641-1:2003 «End mills — Part 1: Shanks».
• Справочник технолога-машиностроителя. Том 2 / Под ред. А. Г. Косиловой, Р. К. Мещерякова. — М.: Машиностроение, 1985.
• Sandvik Coromant. «Metal Cutting Technical Guide». — 2020.
• И. А. Ординарцев, Г. В. Филиппов. «Справочник по фрезерованию». — Л.: Машиностроение, 1988.