23 апреля 2016г.
Точение не является единственным способом обработки наружных цилиндрических поверхностей. Станки с ЧПУ, обладающие вращающимся инструментальным шпинделем или вращающимися шпинделями револьверных головок, могут обрабатывать такие поверхности не резцом, а многозубой торцовой фрезой.
В отличие от точения, при котором на токарных станках вращение заготовки является главным движением, в данном случае главное движение придается фрезе, а вращение заготовки является подачей.
Эффективным может оказаться фрезерование наружных цилиндрических поверхностей торцовой фрезой
при следующих видах обработки:
1) прерывистых поверхностей, создающих неблагоприятное воздействие на резцы;
2) материалов, при точении которых затруднено дробление стружки,
3) эксцентриковых поверхностей кулачков, распределительных, коленчатых валов и других подобных деталей;
4) заготовок с неуравновешенными массами, когда при большой частоте вращения возникают центробежные силы, отрицательно влияющие на конечный результат;
5) заготовок большого диаметра.
При фрезеровании неизбежно возникает волнистость обработанной поверхности в продольном сечении заготовки. Природа этой погрешности состоит в пересечении двух цилиндров: заготовки и торцовой фрезы.
При решении вопроса о целесообразности перехода к фрезерованию цилиндрических поверхностей взамен точения приходится решать две задачи:
1) снижаются ли трудозатраты при фрезеровании в сравнении с точением;
2) какие пути приведут к снижению погрешности формы обработанной поверхности.
Обе задачи взаимосвязаны. Попытка снизить трудозатраты путем изменения параметров кинематической схемы фрезерования неизбежно приведет к увеличению волнистости на обработанной поверхности.
Попытаемся поочередно найти ответ на обе задачи.
Ось фрезы направлена перпендикулярно оси заготовки (оси центров станка). Формообразование происходит суммированием вращения заготовки и продольного перемещения фрезы по винтовой линии по поверхности заготовки.
Максимальный диаметр режущих инструментов, закрепленных в позициях револьверных головок или хранящихся в магазине без пропуска гнезд, для большинства токарных станков с ЧПУ не превышает 100 – 125 мм. Шаг винтовой линии вдоль оси с целью достижения высокой производительности можно задать достаточно большим, но безусловно, меньшим, чем диаметр фрезы. При решении второй задачи будет установлена связь шага винтовой линии и волны на обработанной поверхности.
Вращение заготовки определяет круговую подачу sмин, которая подсчитывается по формуле торцового фрезерования:
где sz – подача на зуб, мм/зуб;
z – число зубьев фрезы;
n – частота вращения шпинделя об/мин. Частота вращения n определяется по формуле:
где v – скорость резания м/мин;
Dф – диаметр фрезы, мм.
Выбор скорости резания определяется стойкостью режущего инструмента. При переходе от точения к фрезерованию параметр стойкости является дополнительным резервом повышение производительности, так как при одной и той же скорости резания замену фрезы на новую, в связи с затуплением режущих пластин, придется выполнять в z раз реже, чем замену режущих пластин у резцов.
Время фрезерования одного оборота to1 заготовки подсчитывается по формуле:
где Dз – диаметр фрезерованной поверхности, мм.
Зададимся некоторым шагом P винтовой линии при фрезеровании в миллиметрах. Получится, что основное время toф фрезерования в минутах поверхности протяженностью l (в мм), составит:
В скобках отношение длины к шагу определяет число шагов на поверхности, единица дополняет необходимость захода и выхода фрезы для обработки заготовки на всем ее протяжении.
Основное время при точении tот c подачей so той же поверхности длиной l равно:
В формулах затрат времени при точении и при фрезеровании имеются одинаковые члены (l, Dз, v) и различные so, sz, Dф.
Скорость резания v при точении и при фрезеровании практически одинакова, так в обоих случаях выполняется обработка материала заготовки твердым сплавом одной и той же группы и подгруппы применения.
Подача so при черновой обработке точением ограничена прочностью материала режущей пластины из современных твердых сплавов, может быть принята до 1,5 мм/об.
Подачу на зуб sz при фрезеровании ограничивает объем срезанного материала, размещаемого в пространстве между зубьями. Если по условиям фрезерования плоской поверхности удаление стружки затруднено, то подача на зуб должна быть уменьшена до величины, меньшей 0,1 мм/зуб. Близкие к этим условия возникают при торцовом фрезеровании заготовки большого диаметра. При фрезеровании заготовки меньшего диаметра возникают более благоприятные условия для удаления стружки, и подачу можно увеличить до 0,4 мм/зуб. Сравнения затрат времени на обработку достаточно протяженной поверхности показывает, что с увеличением протяженности фрезеруемой поверхности влияние одного «лишнего» оборота заготовки на затраты основного времени падают.
Рассмотрим решение второй задачи, которая позволит установить связь между величиной шага винтовой линии Р и допустимой погрешностью формы поверхности (Рисунок 1).
Следует задаться допустимой высотой волны Δ. Правильным подходом будет, если принять ее, как часть допуска на размер диаметра детали. Следовательно, допуск на высоту волны зависит от квалитета точности диаметра обрабатываемой детали. Например, черновая обработка вала большого диаметра допустит высоту волны в десятые доли миллиметра, а при окончательной обработке вала средних размеров высота волны не должна превысить нескольких сотых долей миллиметра.
Ясно, что уменьшение шага приведет к уменьшению высоты волны Δ, но одновременно к увеличению трудозатрат.
Высота волны зависит от нескольких параметров:
1) диаметра заготовки Dз;
2) диаметра фрезы Dф;
3) расположения оси фрезы относительно оси заготовки;
4) шага P фрезерования.
На высоту волны большее влияние оказывают расположение оси фрезы по координатной оси Y относительно оси заготовки, лежащей в плоскости XZ, и шаг фрезерования Р. Наихудший результат получится, если ось фрезы будет проходить через ось заготовки в плоскости XZ, а шаг равен диаметру фрезы. Высота волны в этом случае равна глубине резания.
Рис.1. Схема фрезерования торцовой фрезой
На Рисунке 1 приведена наиболее благоприятная схема фрезерования заготовки 1 торцовой фрезой 2. Зубья фрезы, работающие с наибольшей глубиной резания, располагаются в точках с и e в горизонтальной плоскости XZ. В этих точках образуется наибольшая впадина волны. В точке b, лежащей на расстоянии а/2 от оси, имеется наибольший выступ, характеризующий высоту волны Δ (Табл.1):
где Rз – радиус заготовки, мм.
Величина высоты волны Δ в точках b и d зависит
только от
радиуса заготовки Rз
и смещения по координате Y оси фрезы а/2 относительно
оси
Z на величину
а/2. Решение обеих задач можно начинать с расчета параметра а/2, в зависимости от требуемой точности обработки.
В точках e и f повторяются величины высоты волны соответственно точек с и b.
В Табл.1 приведены значения Δ в зависимости от диаметра заготовки Dз и смещения а/2.
Таблица 1
Расчет погрешности Δ, мм
|
Смещение
a/2
|
Диаметр заготовки, мм
|
|
80
|
100
|
125
|
160
|
200
|
250
|
315
|
400
|
500
|
630
|
800
|
|
Погрешность Δ, мм
|
|
2
|
0,01
|
0,01
|
0,01
|
0,01
|
0,01
|
0,00
|
0,00
|
0,00
|
0,00
|
0,00
|
0,00
|
|
4
|
0,05
|
0,04
|
0,03
|
0,03
|
0,02
|
0,02
|
0,01
|
0,01
|
0,01
|
0,01
|
0,01
|
|
6
|
0,11
|
0,09
|
0,07
|
0,06
|
0,05
|
0,04
|
0,03
|
0,02
|
0,02
|
0,01
|
0,01
|
|
8
|
0,20
|
0,16
|
0,13
|
0,10
|
0,08
|
0,06
|
0,05
|
0,04
|
0,03
|
0,03
|
0,02
|
|
10
|
0,31
|
0,25
|
0,20
|
0,16
|
0,13
|
0,10
|
0,08
|
0,06
|
0,05
|
0,04
|
0,03
|
|
12
|
0,45
|
0,36
|
0,29
|
0,23
|
0,18
|
0,14
|
0,11
|
0,09
|
0,07
|
0,06
|
0,05
|
|
14
|
0,62
|
0,49
|
0,39
|
0,31
|
0,25
|
0,20
|
0,16
|
0,12
|
0,10
|
0,08
|
0,06
|
|
16
|
0,81
|
0,64
|
0,51
|
0,40
|
0,32
|
0,26
|
0,20
|
0,16
|
0,13
|
0,10
|
0,08
|
|
18
|
1,03
|
0,82
|
0,65
|
0,51
|
0,41
|
0,32
|
0,26
|
0,20
|
0,16
|
0,13
|
0,10
|
|
20
|
1,27
|
1,01
|
0,81
|
0,63
|
0,50
|
0,40
|
0,32
|
0,25
|
0,20
|
0,16
|
0,13
|
При выборе шага винтовой линии P следует выдержать условие, чтобы точка d пересечения проекций фрезы
на
двух смежных витках при ее винтовом перемещении лежала на том же расстоянии а/2, как точка b, но с противоположной стороны от оси заготовки. В этой точке на заготовке также возникнет наибольшая высота волны Δ, равная высоте в точке b. Таким образом, величина шага будет оптимальной. При меньшем шаге произойдут потери производительности, при большем шаге – завышенная волнистость.
В Табл.2 приведены оптимальные значения шага винтовой линии Р в зависимости от диаметра
фрезы Dф и смещения а.
Таблица 2
Расчет шага винтовой линии Р, мм
|
Диаметр фрезы Dф, мм
|
Смещение a/2, мм
|
|
2
|
4
|
6
|
8
|
10
|
12
|
14
|
16
|
18
|
20
|
22
|
24
|
26
|
|
Шаг винтовой линии, мм
|
|
63
|
31
|
42
|
49
|
55
|
59
|
61
|
|
|
|
|
|
|
|
|
80
|
35
|
48
|
57
|
64
|
69
|
73
|
76
|
78
|
|
|
|
|
|
|
100
|
39
|
54
|
65
|
73
|
80
|
85
|
90
|
93
|
96
|
98
|
|
|
|
|
125
|
44
|
61
|
74
|
84
|
92
|
98
|
104
|
109
|
113
|
117
|
119
|
122
|
|
|
160
|
50
|
70
|
84
|
96
|
106
|
114
|
122
|
128
|
134
|
139
|
143
|
147
|
150
|
Отдельной проблемой является обработка цилиндрической поверхности «в упор», как это показано на Рисунке 2. На длине, равной радиусу фрезы появится недопустимо большое увеличение диаметра до размера, равного величине припуска.
Для съема этого материала необходимо выполнить еще один оборот заготовки, сместив ось фрезы по оси Y из точки О1 до плоскости XZ в точку О2. Этот лишний оборот уравнивает трудозатраты при
обработке «в упор» с трудозатратами обработки «на проход».
Пока не все токарные станки с ЧПУ обладают координатной осью Y, что является существенным препятствием
к достижению высокой геометрической точности формы цилиндрической поверхности в продольном сечении заготовки, так как наименьшая погрешность
достигается при оптимальном соотношении между смещением оси фрезы относительно оси заготовки и шагом винтовой линии при фрезеровании.
Выводы
1.
Фрезерование взамен точения целесообразно во многих случаях, перечисленных в данной работе.
2.
Фрезерование цилиндрической поверхности с высокой точностью поверхности может успешно выполняться на токарных станках с ЧПУ, снабженных координатной осью Y.
3. Фрезерование цилиндрической поверхности можно выполнять на фрезерных и расточных станках, имеющих ось поворота заготовки.
4. Наиболее
высокая геометрическая точность наружной поверхности достигается
при определенных соотношениях между четырьмя параметрами:
– расположением оси фрезы по координатной оси Y;
– шагом винтовой линии перемещения фрезы по поверхности заготовки;
– диаметром торцовой фрезы;
– диаметром заготовки.
