Технология фрезерных работ по металлу

Фрезерные работы — это механическая обработка материалов (металл, дерево, пластик) резанием с помощью вращающейся многолезвийной фрезы.

Фрезерные работы по металлу являются одним из самых сложных видов металлообработки. В отличие от токарных работ, в процессе которых инструмент перемещается всего лишь по двум осям, фрезерная обработка является многокоординатной: перемещения инструмента происходят по трем, четырем и даже 5 осям. Если точением обрабатываются, как правило, тела вращения, то фрезерование позволяет обрабатывать практически любые поверхности. Принцип фрезеровки начали использовать еще в XVI веке в Европе благодаря Леонардо да Винчи. Именно он изобразил цилиндрический напильник, который вращался вокруг своей оси – данная схема и легла в основу фрезы. Создание станка с вращающимися напильниками осуществили в Китае в 1665 году. Технология фрезерных работ в то время существенно отличалась от современной. Но уже в XIX веке появились качественные прототипы современных фрезерных станков и в ХХ веке технология фрезерных работ приобрела современный вид. Конечно же, эта технология постоянно развивается, однако в основе её лежит все тот же принцип гениального Леонардо.

Появление обрабатывающих центров с ЧПУ для фрезерных работ и современных CAM– программ существенно упростило работу технолога по созданию техпроцессов фрезерных работ. Отпала необходимость «ручного» расчета режимов по формулам и использования большого количества разнообразных таблиц.

Но для правильного выбора предлагаемых программой параметров и создания эффективной управляющей программы для станка с ЧПУ, технологу по-прежнему необходимо иметь глубокое понимание процессов, происходящих при фрезерной обработке. Он должен ясно представлять как изменение параметров резания или схемы обработки отразится на скорости фрезерования и качестве изготавливаемой детали.

Что такое фрезерные работы: определение и суть процесса

Фрезерные работы (фрезерование) — это механическая обработка материалов (металл, дерево, пластик) резанием с помощью вращающейся многолезвийной фрезы. Этот способ обработки плоскостей, пазов, фасонных поверхностей, шлицев, а также любых других поверхностей, отличных от тел вращения, позволяет получить чистоту поверхности 4—6-го и 3—4-го классов точности.

Процесс резания при фрезеровке характеризуется следующими ключевыми особенностями:

• Многолезвийная обработка: в процессе резания находится несколько зубьев одновременно. Чем больше число зубьев, тем меньше интенсивность переменных нагрузок, выше плавность резания.
• Периодичность процесса резания: режущие кромки совершают циклическую работу — нагрузка чередуется с паузой.
• Периодичность врезания зуба в металл: этот процесс приводит к возникновению ударной нагрузки на режущую кромку, а также, при наличии радиуса скругления, к определенному периоду скольжения зуба без процесса резания. В схемах фрезеровки, где удельный вес такого явления велик, это ведет к ухудшению условий работы инструмента и вызывает его повышенный износ.
• Переменность нагрузки на режущую кромку за один цикл резания: нагрузка меняется из-за переменной величины площади срезаемого слоя. У прямозубых фрез переменной является только толщина среза, а у фрез с винтовым зубом — переменными являются и толщина среза, и длина контакта режущей кромки с заготовкой.

---

Основные этапы технологии фрезерования

Технологический процесс выполнения фрезерных работ на производстве состоит из следующих последовательных этапов:

1. Анализ конструкторской документации: изучение чертежа или 3D-модели детали, определение технических требований, допусков и шероховатости поверхностей.
2. Выбор заготовки: подбор оптимального типа материала, расчет припусков на последующую обработку.
3. Разработка схемы обработки: планирование переходов (черновые, получистовые и чистовые этапы фрезерования).
4. Подбор оборудования и инструмента: выбор типа станка и геометрии фрез в зависимости от физико-механических свойств обрабатываемого материала.
5. Расчет режимов резания: определение оптимальной глубины резания, скорости вращения шпинделя и минутной подачи.
6. Наладка и позиционирование: закрепление заготовки на столе станка (в тисках или на приспособлениях) и привязка инструмента к рабочей системе координат.
7. Фрезерование заготовки: выполнение резания в соответствии с установленными режимами или по управляющей программе ЧПУ.
8. Выходной контроль: измерение полученных размеров детали и сопоставление их с чертежом.

---

Виды и типы фрезерных работ

В зависимости от направления расположения шпинделя и типа используемой фрезы обработка делится на следующие виды:

• Торцевое фрезерование: применяется для обработки больших открытых плоскостей. Резание осуществляется торцевыми кромками инструмента.
• Концевое фрезерование: используется для создания пазов, колодцев, уступов, окон и контурной обработки заготовок.
• Цилиндрическое фрезерование: плоскости обрабатываются цилиндрическими фрезами с прямыми или винтовыми зубьями на горизонтально-фрезерных станках.
• Фасонное фрезерование: предназначено для получения сложных, криволинейных поверхностей (шлицев, зубчатых колес, шестерен).
• Зубофрезерование и резьбофрезерование: профильные операции для нарезания наружных или внутренних зубьев и резьбы.

---

Оборудование для фрезерных работ: типы станков

Для реализации технологии фрезерования на металлообрабатывающих предприятиях применяется широкая гамма станков:

• Вертикально-фрезерные станки: шпиндель расположен вертикально. Основное оборудование для обработки плоскостей торцевыми и концевыми фрезами.
• Горизонтально-фрезерные станки: шпиндель ориентирован горизонтально. Станки эффективны для обработки плоскостей длинных деталей цилиндрическими и дисковыми фрезами.
• Универсальные и широкоуниверсальные фрезерные станки: снабжены поворотными головками и дополнительными шпинделями, что позволяет фрезеровать заготовки под любыми углами.
• Фрезерные обрабатывающие центры с ЧПУ: многофункциональное оборудование, оснащенное инструментальным магазином и числовым программным управлением, обеспечивающее автоматизацию, высокую повторяемость и микронную точность деталей.

---

Инструмент: виды фрез и их назначение

Каждый тип фрезы спроектирован под конкретный вид технологических операций:

• Концевые фрезы: применяются для выборки глубоких пазов, уступов и контурной обработки.
• Торцевые фрезы: используются для быстрого выравнивания плоскостей большой площади.
• Цилиндрические фрезы: служат для обработки плоскостей на горизонтально-фрезерных станках.
• Дисковые фрезы: необходимы для прорезки узких пазов, канавок и отрезки заготовок.
• Угловые и фасонные фрезы: используются для снятия фасок, формирования угловых пазов и сложных криволинейных профилей.

Особенности и методы фрезерования

При работе цилиндрическими, коническими, дисковыми и фасонными фрезами различают две основные схемы фрезерной работы по металлу:

Встречное фрезерование (против подачи)

При этой схеме движение работающих зубьев фрезы при ее вращении направлено против направления подачи. При фрезеровке против подачи зуб работает «из-под корки», что облегчает процесс обработки заготовок с упрочненным поверхностным слоем (например, после литья или ковки). Вместе с тем такое резание сопровождается повышенными вибрациями, так как сила резания стремится оторвать заготовку от стола станка, создавая переменную нагрузку определенной частоты.

Попутное фрезерование (по направлению подачи)

При попутном фрезеровании направление движения работающих зубьев совпадает с направлением подачи. При работе по этой схеме зуб фрезы сразу подвергается максимальной нагрузке на входе в материал. Однако при обработке заготовок, не имеющих на поверхности твердого коркового слоя, данная схема дает существенное повышение стойкости инструмента, чистоты и точности обработки.

Симметричное и несимметричное фрезерование

При работе торцовыми и концевыми фрезами необходимо различать симметричную (фиг. 2, а и 6) и несимметричную (фиг. 2, в и г) фрезеровку.

Симметричную фрезеровку разделяют на симметричную полную (фиг. 2, а), когда t = D, и симметричную неполную, когда t < D (фиг. 2, б).

Торцевую фрезеровку жаропрочных и титановых сплавов ведут при наличии высокой жесткости системы по схеме неполного несимметричного попутного фрезерования (фиг. 2. г) при t≤ (0.4 — 0,6) Dи k→ 0. Это обеспечивает плавный выход режущих кромок из металла, уменьшение вибраций, повышение стойкости инструмента и чистоты обработки.

При работе торцовыми и концевыми фрезами необходимо различать симметричную и несимметричную фрезеровку:

• Симметричная полная фрезеровка: ширина фрезерования tt равна диаметру фрезы DD (t=Dt=D).
• Симметричная неполная фрезеровка: ширина фрезерования tt меньше диаметра фрезы DD (t<Dt<D).
• Несимметричное фрезерование: ось фрезы смещена относительно оси симметрии заготовки. Так, торцевую фрезеровку жаропрочных и титановых сплавов ведут при наличии высокой жесткости системы по схеме неполного несимметричного попутного фрезерования при t≤(0.4−0.6)Dt≤(0.4−0.6)D. Это обеспечивает плавный выход режущих кромок из металла, уменьшение вибраций, повышение стойкости инструмента и чистоты обработки.

Основные элементы срезаемого слоя при фрезеровании (фиг. 1, 2).

Угол контакта фрезы ψ в град — центральный угол, равный дуге соприкосновения с деталью.

Глубина резания t в мм — величина срезаемого слоя материала, соответствующая длине дуги резания ψ и измеренная в направлении перпендикулярном к обрабатываемой поверхности.

Ширина фрезерования В в мм — ширина обрабатываемой поверхности, измеренная в направлении, параллельном оси фрезы. Для цилиндрических фрез эта величина равна величине зоны контакта фрезы с деталью в направлении, параллельном оси фрезы, а для дисковых — равна ширине фрезеруемого паза.

Ширина среза  в мм – длина соприкосновения режущей кромки зуба с обрабатываемой деталью. Для цилиндрической прямозубой фрезы b = В, для цилиндрической с винтовым зубом b ≠ В и является переменной величиной.

Толщина среза a в мм — расстояние, измеренное в радиальном направлении, перпендикулярном к поверхности резания, образованное двумя последовательными положениями режущих кромок фрезы. Это величина переменная, максимальное значение которой расположено на угле контакта ψ.

Сравнение встречного и попутного фрезерования

Критерий	Встречное фрезерование	Попутное фрезерование
Направление движения	Против подачи заготовки	По направлению подачи заготовки
Качество поверхности	Хуже (стружка может оставаться на обработанной поверхности)	Лучше (стружка эффективно удаляется из зоны резания)
Износ инструмента	Меньше при обработке материалов с окалиной и коркой	Больше при врезании (из-за ударного входа на максимальной толщине среза)
Стабильность процесса	Выше (силы резания выбирают люфты в узлах станка)	Ниже (требуется высокая жесткость станка, иначе возможен виброудар)
Рекомендации к применению	Черновая обработка, работа с твердыми, литыми, коваными материалами	Чистовая обработка, работа на жестких современных станках и ЧПУ

Сложная (многоосевая) фрезерная обработка на станках с ЧПУ

Появление обрабатывающих центров с ЧПУ для фрезерных работ и современных CAM-программ существенно упростило работу технолога по созданию техпроцессов фрезерных работ. Отпала необходимость «ручного» расчета режимов по формулам и использования большого количества разнообразных таблиц.

Но для правильного выбора предлагаемых программой параметров и создания эффективной управляющей программы для станка с ЧПУ, технологу по-прежнему необходимо иметь глубокое понимание процессов, происходящих при фрезерной обработке. Он должен ясно представлять, как изменение параметров резания или схемы обработки отразится на скорости фрезерования и качестве изготавливаемой детали.

Современная фрезерная обработка на станках с ЧПУ является многокоординатной: перемещения инструмента происходят по трем, четырем и даже пяти осям одновременно. Сложная многоосевая фрезеровка позволяет обрабатывать практически любые трехмерные поверхности, обеспечивая микронную точность и высокую скорость изготовления за счет исключения многократных переустановок заготовки.

---

Сферы применения фрезерной технологии

Благодаря своей гибкости и производительности технология фрезерных работ востребована в ведущих отраслях промышленности:

• Тяжелое и энергетическое машиностроение: обработка рамных конструкций, гидроцилиндров, лопаток паровых и газовых турбин.
• Автомобилестроение: производство пресс-форм, штампов для кузовных элементов, блоков двигателей и головок цилиндров.
• Авиационная и космическая промышленность: фрезерование облегченных крыльевых панелей, шпангоутов, лопастей вертолетов и деталей ЖРД из титановых и алюминиевых сплавов.
• Приборостроение: высокоточная обработка корпусов радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), кронштейнов, теплоотводов и печатных плат.
• Инструментальное производство: изготовление эталонных калибров, режущего инструмента, штамповой оснастки и сложных пресс-форм.

Режимы фрезерования

Глубина резания t в мм при фрезеровке зависит от припуска на детали, а также от жесткости и мощности станка.

Подача при фрезеровании определяется тремя параметрами:

   sz мм/зуб — подачей на один зуб, определяющей величину нагрузки каждого зуба фрезы
в процессе резания;

  s0 = sz• z мм/об — подачей на один оборот фрезы;

  sm= s0 • n = sz • z • n мм/мин – минутной подачей, определяющей основное технологическое время.

При чистовом фрезеровании, исходя из заданного диаметра фрезы D в мм и глубине резания t в мм, допустимая величина подачи определяется заданной чистотой поверхности:

Значения коэффициентов и показателей степени выбираются из таблиц в зависимости от типа инструмента и свойств материала.

При грубом фрезеровании подача зависит от жесткости и мощности станка и прочности режущей кромки.

Скорость резания при фрезеровании определяют по формуле:

где T – стойкость фрезы, которая является табличным значением.

Значения коэффициентов также являются табличными значениями и зависят от схемы обработки, типа инструмента и обрабатываемого материала.

Сила резания при фрезеровании R раскладывается на две составляющие (фиг. 1, б):

окружную Р в направлении, касательном к траектории движения режущей кромки, и радиальную Р г, направленную по радиусу. Помимо этого ее можно разложить на горизонтальную Рн и вертикальную составляющие Pw, у фрез с винтовыми зубьями имеется еще осевая составляющая Р0; фреза на оправке устанавливается таким образом, чтобы эта сила действовала на шпиндель.

Окружная составляющая наиболее значительна. Ее величину определяют по формуле:

Значение коэффициента Ср, показателей степени хр ур rpqpявляются табличными.
Величина силы Р зависит от величины переднего угла и скорости резания, вида обрабатываемого материала, величины износа инструмента. Это учитывается поправочными   коэффициентами, которые также приведены в справочных таблицах.

Основное технологическое время Т0 при цилиндрическом и торцовом фрезеровании с продольной и поперечной подачами определяют по формуле:

где sM— минутная подача в мм/мин;

l— длина   фрезерования в мм;

l1 — величина врезания в мм

l2 — величина выхода инструмента в мм.

Заключение

Таким образом, технология фрезерных работ является универсальным и высокоточным методом формообразования, основанным на снятии материала вращающейся фрезой. От ручных операций до сложной 5-осевой обработки на ЧПУ, она позволяет создавать детали любой геометрической сложности — от простых пазов до объемных 3D-поверхностей. Широта применения в машиностроении, аэрокосмической отрасли, инструментальном производстве и даже ювелирном деле подтверждает ее критическую важность для современной промышленности, обеспечивая массовое производство деталей с высокой повторяемостью и точностью.