Подача на зуб

Подача на зуб — это технологический параметр процесса резания материалов, определяющий величину перемещения режущего инструмента или заготовки за время, соответствующее одному циклу резания одним зубом инструмента. В зависимости от типа инструмента (фреза, пила, протяжка, напильник) и вида обработки (фрезерование, пиление, строгание) подача на зуб измеряется в миллиметрах на зуб (мм/зуб) и является одним из ключевых факторов, влияющих на шероховатость обработанной поверхности, стойкость инструмента и производительность обработки.

Физическая сущность и определение

Подача на зуб (обозначается \( S_z \) или \( f_z \)) представляет собой расстояние, на которое перемещается точка контакта инструмента с заготовкой за время, в течение которого один зуб инструмента входит в материал, совершает резание и выходит из него. Для многозубых инструментов (фрез, пил, протяжек) этот параметр является производным от минутной подачи (\( S_м \), мм/мин), частоты вращения инструмента (\( n \), об/мин) и числа зубьев (\( z \)):

\[ S_z = \frac{S_м}{n \cdot z} \]

Для однозубых инструментов (например, резцов при строгании) подача на зуб совпадает с подачей на оборот или на двойной ход.

Значение подачи на зуб в процессе резания

Подача на зуб непосредственно определяет толщину срезаемого слоя материала, приходящуюся на один зуб. От её величины зависят:

• Силы резания. С увеличением \( S_z \) возрастает площадь поперечного сечения среза, что приводит к росту тангенциальной и радиальной составляющих силы резания.
• Температура в зоне резания. Большая толщина стружки увеличивает тепловыделение, но при этом улучшается отвод тепла со стружкой.
• Стойкость инструмента. Оптимальная подача на зуб обеспечивает минимальный износ по задней и передней поверхностям. Чрезмерно малая подача (\( S_z < 0,01 \) мм/зуб) вызывает интенсивное трение задней поверхности зуба о заготовку, что ведёт к быстрому затуплению. Слишком большая подача (\( S_z > 0,2 \) мм/зуб для твёрдосплавных фрез) может привести к выкрашиванию режущей кромки или поломке зуба.
• Шероховатость поверхности. При малых подачах на зуб (\( S_z < 0,05 \) мм/зуб) высота микронеровностей уменьшается, однако при слишком малых значениях возможно появление вибраций и нароста на режущей кромке, что ухудшает качество поверхности.
• Производительность. Чем больше \( S_z \), тем выше минутная подача и, следовательно, объём снятого материала в единицу времени.

Классификация и виды подачи на зуб

В зависимости от направления и характера движения различают несколько видов подачи, применимых к многозубым инструментам:

По направлению относительно оси инструмента

• Подача на зуб при торцевом фрезеровании — измеряется в плоскости, перпендикулярной оси фрезы; определяет толщину стружки, срезаемой каждым зубом на торцевой части.
• Подача на зуб при периферийном фрезеровании — измеряется вдоль направления подачи заготовки; толщина стружки изменяется от нуля (при входе зуба) до максимальной (при выходе).

По способу задания

• Подача на зуб как расчётная величина — используется в технологических картах и при настройке станков с ЧПУ.
• Подача на зуб как фактическая величина — определяется по результатам измерения износа инструмента или шероховатости поверхности.

По типу инструмента

• Для концевых фрез — типичные значения \( S_z \) составляют 0,01–0,15 мм/зуб для стали и 0,05–0,30 мм/зуб для алюминиевых сплавов.
• Для дисковых пил — подача на зуб обычно находится в диапазоне 0,02–0,15 мм/зуб; для продольного пиления древесины — до 0,5 мм/зуб.
• Для протяжек — подача на зуб (подъём на зуб) задаётся конструктивно и составляет 0,01–0,08 мм/зуб для чистовых зубьев и 0,05–0,20 мм/зуб для черновых.
• Для напильников — подача на зуб не задаётся явно, но определяется усилием нажатия и длиной хода; фактически она составляет доли миллиметра.

Факторы, влияющие на выбор подачи на зуб

Выбор оптимальной подачи на зуб — многокритериальная задача, решаемая с учётом следующих параметров:

• Материал заготовки. Для вязких и пластичных материалов (алюминий, медь, низкоуглеродистая сталь) подачу можно увеличивать; для твёрдых и хрупких (закалённая сталь, чугун, титановые сплавы) — уменьшать.
• Материал и геометрия инструмента. Твёрдосплавные и керамические пластины допускают более высокие подачи, чем быстрорежущая сталь. Увеличение переднего угла и радиуса при вершине позволяет повысить \( S_z \).
• Жёсткость системы СПИД (станок — приспособление — инструмент — деталь). Недостаточная жёсткость вызывает вибрации, поэтому подачу снижают.
• Требования к точности и шероховатости. Для чистовой обработки (\( Ra \) 0,8–1,6 мкм) подачу на зуб назначают в пределах 0,01–0,05 мм/зуб; для черновой (\( Ra \) 6,3–12,5 мкм) — 0,1–0,3 мм/зуб.
• Наличие СОЖ (смазочно-охлаждающей жидкости). Применение СОЖ позволяет увеличить подачу на 15–30 % за счёт снижения трения и температуры.
• Тип фрезерования (встречное или попутное). При попутном фрезеровании толщина стружки максимальна в начале резания, что может вызвать ударные нагрузки; подачу на зуб при попутном фрезеровании часто назначают на 10–20 % меньше, чем при встречном.

Расчёт и нормирование

В инженерной практике подачу на зуб выбирают по справочным таблицам, разработанным для конкретных сочетаний обрабатываемого материала, инструмента и условий обработки. Например, для торцевого фрезерования стали 45 твёрдосплавной фрезой (T15K6) рекомендуемая подача на зуб составляет 0,08–0,12 мм/зуб при глубине резания 2–4 мм. Для высокопроизводительной обработки алюминиевых сплавов алмазными фрезами подача может достигать 0,5–1,0 мм/зуб.

При отсутствии табличных данных подачу на зуб можно рассчитать по эмпирическим формулам, учитывающим предел прочности материала, диаметр инструмента и число зубьев. Например, для концевых фрез из быстрорежущей стали:

\[ S_z = \frac{0,05 \cdot D^{0,6}}{z^{0,3} \cdot \sigma_b^{0,4}} \]

где \( D \) — диаметр фрезы (мм), \( z \) — число зубьев, \( \sigma_b \) — предел прочности обрабатываемого материала (МПа).

Контроль и измерение

Непосредственное измерение подачи на зуб в процессе резания затруднено. Обычно её контролируют косвенно:

• по минутной подаче (с помощью датчиков перемещения стола станка);
• по износу инструмента (измерение ширины фаски износа по задней поверхности);
• по шероховатости обработанной поверхности (профилометром).

На станках с ЧПУ подача на зуб задаётся в управляющей программе как часть режима резания и автоматически пересчитывается в минутную подачу с учётом частоты вращения шпинделя.

Ошибки при выборе подачи на зуб

Наиболее распространённые ошибки, приводящие к браку или поломке инструмента:

• Занижение подачи (менее 0,01 мм/зуб). Вызывает интенсивное трение, нагрев, нарост на режущей кромке и ускоренный износ.
• Завышение подачи (более 0,3 мм/зуб для твёрдосплавных фрез). Приводит к выкрашиванию режущей кромки, вибрациям и поломке зуба.
• Игнорирование радиуса при вершине. При малом радиусе (\( r < 0,5 \) мм) подачу необходимо снижать, чтобы избежать концентрации напряжений.
• Неучёт биения инструмента. Даже при правильной расчётной подаче на зуб биение патрона или фрезы может привести к тому, что один зуб снимает большую толщину, а другой — меньшую, что ухудшает качество обработки.

Применение в различных отраслях

• Машиностроение — обработка корпусных деталей, валов, зубчатых колёс. Подача на зуб — основной параметр при фрезеровании, сверлении и зенкеровании.
• Деревообработка — пиление, фрезерование древесины и древесных плит. Для пил подача на зуб может достигать 0,5–1,5 мм/зуб.
• Металлообработка — протягивание шпоночных пазов, шлицевых отверстий, наружных поверхностей. Подача на зуб (подъём) задаётся конструкцией протяжки.
• Ювелирное дело — обработка драгоценных металлов и сплавов. Подача на зуб минимальна (0,005–0,02 мм/зуб) для обеспечения высокой чистоты поверхности.
• Авиа- и ракетостроение — обработка жаропрочных и титановых сплавов. Подача на зуб назначается пониженной (0,02–0,06 мм/зуб) для предотвращения наклёпа и трещин.

Источники

• Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. / Под ред. А. М. Дальского, А. Г. Косиловой, Р. К. Мещерякова. — М.: Машиностроение, 2003.
• Резание материалов: учебник для вузов / А. Д. Семёнов, В. А. Гречишников, А. И. Кондаков. — М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2012.
• ГОСТ 25762-83. Обработка резанием. Термины, определения и обозначения общих понятий.
• Справочник по режимам резания металлов / Под ред. Ю. В. Барановского. — М.: Машиностроение, 1966.
• Инженерный журнал «Станки и инструмент», № 5, 2019. — Статья «Оптимизация подачи на зуб при торцевом фрезеровании».