Расчет режимов фрезерования: формулы и особенности

О чем речь? Расчет режимов фрезерования производится в соответствии с отраслевыми стандартами, условиями работы, типом материала и используемой оснастки. К основным параметрам относятся глубина, ширина и скорость резания, интенсивность вращения шпинделя станка, подача и время обработки.

На что обратить внимание? На практике дополнительно учитывают тип обработки: черновой или чистовой. В первом случае делают несколько проходов, а во втором – только один.

Суть фрезерования

Фрезерование – это вид обработки деталей из различных материалов резанием при помощи специального оборудования (станка). Технология заключается в последовательном снятии слоев с поверхности заготовки, которая может быть изготовлена из пластика, дерева, стали и т. д. Наиболее часто фрезеровку связывают именно с металлообработкой. Расскажем подробнее об этом процессе.

В станке закрепляется деталь. Выбирается тип инструмента, соответствующий материалу, конфигурации и другим характеристикам заготовки. Фреза может вращаться вокруг своей оси и перемещаться в продольной плоскости. Обрабатываемую деталь возможно передвигать навстречу режущей кромке.

Фрезерный станок отличается от токарного тем, что рабочий инструмент вращается и имеет несколько режущих кромок, позволяющих обрабатывать плоские поверхности заготовок, а также протачивать пазы и канавки. Классический резец неподвижно закреплен и предназначен для резания вращающихся деталей круглого сечения (например, валов). Металлообработка подразделяется на два основных типа – черновую и чистовую. Каждая из них в зависимости от различных факторов может состоять из нескольких стадий. В большинстве случаев достаточно 2–3 проходов для создания нужного профиля (выемки, зубца и пр.)

Движение фрезы осуществляется по сложной траектории. Каждая из ее режущих кромок вступает в контакт с телом заготовки неравномерно, что увеличивает нагрузку, ими воспринимаемую. Только точный расчет режимов резания при фрезеровании позволяет оптимизировать процесс обработки.

Основные параметры фрезерования

Программа технологической операции при обработке конкретной детали задается на станке заблаговременно. В соответствии с действующими регламентами и стандартами должны учитываться многочисленные важные характеристики: тип рабочего инструмента, технологическая карта, конфигурация и материал заготовки, необходимость подачи смазочно-охлаждающей жидкости и т. д.

Перечислим главные параметры для расчета режимов фрезерования стали:

• Глубина. Слой поверхности детали, снимаемый за один проход. Измеряется в миллиметрах. Подбор осуществляется с учётом припуска на металлообработку. Чистовая обработка придает заданный квалитет точности и качество поверхности (шероховатость).
• Ширина. Расстояние между контактирующими с телом заготовки режущими кромками фрезы.
• Скорость. Путь, проделанный наиболее удаленной от оси вращения части режущего инструмента в единицу времени (минута).
• Частота вращения шпинделя при фрезеровании. Параметр, характеризующий количество оборотов узла за одну минуту (или секунду).
• Подача. Различают три типа: на зуб, на оборот и минутную. Первый вариант – это направление вращения фрезы, при котором движение режущей кромки выполняется навстречу обрабатываемой детали. Показатель равен дистанции, которую проходит фреза за период обработки одного зуба. Второй вспомогательный параметр указывает расстояние, пройденное инструментом за один полный оборот. Минутной подачей называется расчетная величина относительного перемещения стола с закрепленной деталью, либо фрезой за промежуток времени, равный одной минуте.
• Время воздействия. Второстепенная характеристика, которая не всегда задается при расчете режимов фрезерования. Параметр измеряется в минутах. Он полезен для оценки допустимого времени обработки при длительном процессе, протекающем на высокой скорости. Это позволит осуществлять контроль за температурным режимом. Перегрева инструмента удастся избежать, если производить временные остановы для остывания заготовки и фрезы. С этой задачей справляются специальные системы охлаждения, принудительно подающие в зону контакта СОЖ.

Расчет режимов фрезерования

Глубина

На выбор параметра влияет целая совокупность факторов: тип фрезы, модель станка, форма и материал заготовки, конкретная технологическая задача.

Например, при классической токарной обработке глубина – это толщина стружки, выходящей за один проход резца. Для расточки и обтачивания значение коэффициента определяется по следующей формуле:

Г = (Дб – Дм)/2, где

Г – глубина фрезерования, Дб – больший диаметр пятна области контакта режущего инструмента (фрезы) и болванки, а Дм – соответственно, меньший диаметр.

Операция сверления рассчитывается следующим образом:

Г = Д/2, где

 Д – это диаметр отверстия, которое необходимо проделать.

Формула, по которой определяют объём выбранной массы материала заготовки:

О = (Гр*Шф*Пс)/1000, где

Гр – рассчитанная ранее глубина резания, Шф – ширина фрезерования, Пс – подача стола с закрепленной деталью.

Ширина

Этот параметр зависит от размера фрезы. Его нельзя регулировать. Для разных технологических операций применяется определенный инструмент. Значение этого размера определяется в таблицах, содержащихся в технической документации.

Токарь, которому известны размеры будущей детали, может произвести расчет количества требующихся проходов. Например, если диаметр фрезы совпадает с шириной канавки, то потребуется всего один цикл обработки.

Скорость

Расчет ведется по формуле:

С = Дф*Ко*π/1000, где

Дф – диаметр фрезы, Ко – количество оборотов шпинделя в минуту, π – математическая константа, приблизительно равная 3,1416.

Число оборотов шпинделя

При расчете режимов фрезерования на станках с ЧПУ важно учитывать частоту вращения шпинделя. Значение параметра можно вычислить по формуле:

Ош = 1000 * Ср/Дф, где

Ош – количество оборотов шпинделя станка за одну минуту; Ср – скорость подачи, выбираемая в зависимости от типа фрезы, материала и размеров заготовки; Дф – диаметр фрезы. Существуют справочные таблицы, в которых сведены значения этой характеристики, рекомендуемые для различных технологических операций.

Подача

В связи с тем, что существует три способа подачи, расчёт осуществляется по отдельной методике для каждого из них.

Подача на зуб определяется по следующей формуле:

Пз = Сс/Чз*Ко, где

Пз – искомая величина подачи; Сс –скорость, с которой совершается подача стола с деталью; Чз – число зубцов; Ко – количество оборотов шпинделя (расчетная величина). Единица измерения параметра – об/мин (или мин^-1).

Подача на оборот при фрезеровании может быть рассчитана следующим образом:

По = Пз*Чз, где

По – подача на оборот; Пз – подача на зуб; Чз – число зубцов.

Чтобы определить минутную подачу, нужно найти произведение числа зубцов фрезы, значения подачи на зуб и количества оборотов шпинделя в минуту. То есть перемножить величины всех трех основных параметров.

Время металлообработки

Важный параметр при расчете режимов фрезерования. Период обработки резанием вычисляется по следующей формуле:

Вр = 1000*Ср / π*Дф, где

Вр – искомое значение времени резания; Ср – рекомендованная скорость обработки с учетом типа фрезы и характеристик материала заготовки; π – число Пи (математическая константа, приблизительное значение – 3,1416); Дф – диаметр выбранной фрезы.

Существует альтернативный способ расчета, который является универсальным для всех типов металлообработки резанием. С его помощью можно определить продолжительность операции, производимой станком в автоматическом режиме (без непосредственного участия оператора). Для этого необходимо умножить расчётную длину прохода фрезы на количество требующихся проходов, а затем найденное произведение надо разделить на минутную подачу. Для расчёта расстояния, пройденного инструментом, требуется найти сумму длины области контакта, показателя перебега (диапазон – от 1 до 5 мм, учитывается диаметр фрезы), а также величины врезания режущей кромки инструмента.

Что учесть при расчете режимов фрезерования

При расчете режимов фрезерования необходимо учитывать определенную совокупность влияющих факторов:

• Модель станка. Современное оборудование для обработки металлов резанием с числовым программным управлением позволяет производить фрезерование самых сложных деталей из сталей различных марок. При этом достигается высокая производительность и качество поверхности обрабатываемой заготовки. На старых станках возможностей учета основных параметров значительно меньше.
• Марка стали. Один из самых значимых показателей, которые учитываются при расчете режимов фрезерования. Сплавы подразделяются по твердости и степени обрабатываемости. При резании относительно мягких пластичных материалов (например, бронзы или алюминия) допускается выбор скоростного режима прохода и максимальной подачи. Мартенситные стали или титан требуют более щадящего способа обработки. Также очень важно использовать фрезу, подходящую для той или иной операции.
• Выбор способа резания. Между чистовой и черновой обработкой существуют определенные принципиальные отличия. В первом случае рекомендована низкая подача и высокая скорость прохода. Каждый технологический цикл требует индивидуального расчета.
• Определение необходимого количества проходов. Черновая металлообработка часто состоит из нескольких проходов для выемки нужного количества материала из тела заготовки. При чистовой чаще всего используется один финишный проход. Для того чтобы токарь мог ориентироваться в многочисленных режимах фрезерования, составлены специальные справочники, содержащие нужные сведения.

Часто задаваемые вопросы о расчете режимов резания

Можно ли использовать на практике данные, полученные из каталогов?

Выбор режимов фрезерования можно делать, изучив сведения, содержащиеся в инструкции завода-изготовителя станка. Но это не означает, что этот вариант будет наиболее оптимальным. И тому есть несколько причин:

• Некоторые производители с целью увеличения объемов продаж намеренно завышают характеристики выпускаемого оборудования. Иногда расхождение паспортных показателей с реальными достигает 20–40 %.
• В технической документации часто содержатся теоретические положения о режимах обработки и типах используемых инструментов. Практическое применение этих советов может привести к браку, быстрому износу оборудования и даже его поломке.
• В мастерской, где установлен фрезерный станок, отсутствует технический паспорт, и у оператора нет к нему доступа во время работы.

Каким образом влияют характеристики фрезы на расчеты режимов фрезерования?

Тип режущего инструмента играет в металлообработке очень важную роль.

• Скорость прохода фрезы сильно зависит от материала, из которого она изготовлена.
• Разумное использование СОЖ позволяет повысить производительность и качество обработки.
• Следует обращать внимание на геометрическую форму головки. Глубина прохода зависит от разновидности режущего инструмента.

Что следует учитывать при фрезеровании заготовок из алюминия?

Обработку таких деталей лучше всего начинать с прохода со скоростью 250–300 м/мин, постепенно доводя этот показатель до значения 400–420 (если используется подача смазочно-охлаждающей жидкости). Это наиболее оптимальный и щадящий режим, позволяющий добиться высокого качества поверхности.

Главными определяющими факторами оптимального фрезерования любых материалов на разных режимах обработки являются: максимальная производительность, качество поверхности обработанной детали, разумное сочетание всех ключевых параметров. Получить навыки обработки на фрезерном станке может любой желающий. Для этого необходимо проявить усидчивость и некоторое усердие при ознакомлении со справочниками и учебными пособиями. После небольшого практикума вполне возможно создание простых алгоритмов. Конечно, для того, чтобы стать настоящим мастером, потребуется много лет, в течение которых будет нарабатываться опыт.