Силы резания при фрезеровании: какие возникают, на что влияют

О чем речь? При фрезеровании возникают различные силы резания. Они влияют на скорость и качество обработки заготовки. Также они учитываются при подборе фрез и режимов фрезерования.

Какие? Касательная сила резания оказывает наибольшее влияние на процесс фрезерования. Помимо этого, во время обработки заготовки фрезой возникают радиальные, горизонтальные, вертикальные силы.

Процесс резания при фрезеровании

Фрезерование — это популярный метод обработки различных материалов, включая металлы и неметаллы, при котором происходит удаление части поверхностного слоя. Процесс проходит в несколько этапов: сначала зубья инструмента проникают в материал, жестко закрепленный на станке, затем материал предсказуемо смещается, что ведет к формированию и отделению стружки.

Изменения форм поверхностных слоев материала происходят из-за процессов, связанных с перемещением металлических частиц и образованием стружки. Эти процессы являются ключевыми в механической обработке и происходят под влиянием сил, действующих на каждый зубец фрезы.

Деформация – это изменение формы тела под воздействием внешней силы. Если тело возвращает свою первоначальную форму после того, как сила перестает действовать, такую деформацию называют упругой. Если же его форма не возвращается к исходной после снятия нагрузки, говорят о пластической деформации.

При фрезеровании важными факторами являются силы, возникающие из-за трения удаляемой стружки о рабочие края фрезы и трения об уже обработанную поверхность с помощью задних граней режущих элементов. Составляющие силы резания при фрезеровании, обычно малозначительные при правильно настроенной геометрии инструмента, влияют на характеристики как электрических, так и механических компонентов станка, используемых в технологическом процессе.

Влияние материалов на процесс резания при фрезеровании

В списке указаны часто используемые материалы и их характеристики при обработке:

• Изделия из пластика (модулан, капролон, фторопласт) отличаются простотой в обработке. Их можно шлифовать при различных скоростях и подачах, причем нагрузка на инструмент будет минимальной, что позволяет увеличивать глубину резания. Основное, на что стоит обратить внимание, – это возможность плавления материала при высокой температуре, в таких случаях следует уменьшать скорость.
• Цветные металлы (дюраль, латунь, бронза) также легки в обработке. Их можно эффективно обрабатывать на высоких скоростях без риска перегрева, с легким формированием стружки и минимальным давлением на инструмент. Для обработки данных металлов часто можно обойтись без использования смазочно-охлаждающих жидкостей, а сила резания и мощность при фрезеровании регулируются в широких пределах, не угрожая повреждением инструмента.
• При обработке меди и мягких алюминиевых сплавов, таких как АМГ, необходимо учитывать одну важную особенность: если скорость фрезерования слишком высока, материал начинает быстро перегреваться и тает, что приводит к закупориванию фрезы. Это мгновенно останавливает процесс резки и может привести к поломке инструмента. Чтобы избежать таких проблем, следует использовать смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ).
• Конструкционные стали обрабатываются с применением специализированных фрез, которые имеют три или четыре зуба и желательно покрытие. Обработка будет эффективной, если станок обладает необходимой жесткостью. Высокие обороты и чрезмерно низкая подача не рекомендуются, поскольку фреза начинает скользить по материалу, не срезая его, что ведет к перегреву и снижению качества обработанной поверхности. Подача на зуб должна быть оптимальной, чтобы обеспечить качественное снятие материала.
• Титан и нержавеющая сталь являются одними из наиболее требовательных к обработке материалов и требуют использования специально подобранного инструмента. Эти материалы плохо переносят высокие скорости и большие подачи, нуждаются в эффективном охлаждении с помощью СОЖ. Важно избегать слишком глубокого врезания, ограничиваясь одной третью от диаметра фрезы.

Силы резания при фрезеровании

В процессе фрезерования каждый зуб инструмента сталкивается с сопротивлением материала детали и трением, возникающим на поверхности зубьев. В момент контакта с заготовкой участвует несколько зубьев, что приводит к возникновению общей силы резания, которая является суммой сил, действующих на каждый зуб. Распределение и величина этих сил зависят от выбранного метода фрезерования и типа используемой фрезы.

Фрезерование бывает двух видов: тангенциальное, применяемое с цилиндрическими фрезами, и радиальное, использующее торцевые фрезы. Этот процесс может проводиться методом встречного фрезерования, когда направление подачи инструмента противоположно его вращению, либо попутного фрезерования, при котором направление подачи совпадает с вращением.

В процессе встречного фрезерования нагрузка на каждый зуб фрезы увеличивается с минимальной до максимальной. Во время взаимодействия зубьев с материалом они стремятся выдернуть заготовку из-под крепления на столе или приспособлении станка. Это действие силы может привести к упругим деформациям в системе станка, особенно при обработке заготовок с большими припусками. В результате возникают вибрации, которые ухудшают качество поверхности, увеличивая ее шероховатость. Зубья фрезы испытывают интенсивный износ, поскольку при врезании в материал их задние стороны соприкасаются с уже обработанной, более твердой поверхностью, преодолевая значительное трение.

Одним из ключевых преимуществ встречного фрезерования по сравнению с попутным является то, что зубья фрезы начинают работу с удаления верхнего твердого слоя металла, известного как корка. Когда режущие кромки впервые контактируют с этой зоной повышенной твердости, они быстро теряют связь со своей задней поверхностью и заготовкой, что способствует отлому стружки.

В процессе попутного фрезерования зуб фрезы вначале входит в контакт с материалом, сразу начиная срезать максимальную толщину слоя, что предотвращает его проскальзывание за счет большой начальной нагрузки. Такой метод позволяет достичт более гладкой обрабатываемой поверхности и повышает точность, поскольку вибрация уменьшается благодаря тому, что фреза прижимает заготовку к столу станка.

Попутное фрезерование предпочтительно для предварительной и чистовой обработки на станках с жесткой конструкцией и компенсаторами зазоров, особенно если нет корки. Для первичной обработки материалов с коркой лучше подходит встречное фрезерование.

При попутном и встречном фрезеровании различаются схемы воздействия сил. На зуб фрезы, который находится в зоне контакта, оказывается уникальное сопротивление срезаемого материала. Эту силу можно разделить на компоненты: одна действует вдоль тангенса к зубцам, другая — радиально относительно фрезы.

Результирующая сила R, образованная взаимодействием суммарной касательной силы Рок и радиальной силы Рр, может быть представлена двумя компонентами: горизонтальной Рг и вертикальной Рв.

Касательная сила Рок играет ключевую роль, поскольку она выполняет основную часть работы по резке. Это значение силы используется для определения мощности мотора станка и проектирования его деталей, таких как валы и зубчатые колеса, на предмет их прочности.

Радиальная сила Рр описывает величину усилия, с которым заготовка действует на фрезу, стремясь ее оттолкнуть. Это усилие приводит к изгибу фрезерной оправки и оказывает давление на опорные элементы шпинделя.

Сила резания Рг, имеющая горизонтальную составляющую, указывает на необходимость прилагать усилие к столу станка для обеспечения рабочей подачи.

При встречном фрезеровании направление горизонтальной составляющей Рг противоположно направлению движения стола. При попутном фрезеровании горизонтальная составляющая Рг направлена в сторону движения стола.

При использовании цилиндрической фрезы с винтовыми зубьями возникает сила R’, образующая острый угол с осью фрезы. Это приводит к появлению осевой силы Ро, которая направлена вдоль оси фрезы. Направление этой силы зависит от ориентации зубьев на фрезе. Чтобы улучшить условия фрезерования, рекомендуется выбирать фрезу с направлением зубьев таким образом, чтобы осевая сила Ро направлялась к шпинделю. Если направление силы Ро будет другим, она может попытаться выдавить фрезу вместе с оправкой из конусного отверстия шпинделя.

Иногда, для того чтобы компенсировать воздействие осевых сил, используют пару фрез, оборудованных лезвиями с левым и правым направлением спиральных канавок.

Пример расчета силы резания при фрезеровании

На данном примере рассматривается, как найти силу резания при фрезеровании.

Ниже приведены значения переменных, которые используются в формуле для расчета:

• σ = 4000
• A = 2,5
• Z = 2
• E = 1,5
• T = 0,45

Для расчета окружной силы резания при фрезеровании используют следующую формулу:

Ft = σ * A * Z * E * T,

где Ft — окружная сила резания. Подставляя значения, получаем:

Ft = 4000 * 2,5 * 2 * 1,5 * 0,45

Ft = 3500 Н

Часто задаваемые вопросы о силах резания при фрезеровании

Как выглядит определение силы резания при фрезеровании?

Чтобы определить режимы резания во время фрезерования, необходимо произвести расчет подачи инструмента. В чистовых операциях подача скорректирована в соответствии с требуемой шероховатостью обрабатываемой поверхности. Для черновой обработки важно учитывать ряд критериев, включая:

• жесткость комплекса «деталь – фреза – станок»;
• материал изготовления заготовки;
• углы заточки используемой фрезы;
• мощность станка для фрезерования;
• материал, из которого изготовлен рабочий инструмент.

В большинстве случаев для определения оптимальных параметров подачи используют специализированные таблицы.

Для достижения наилучших результатов фрезеровки важно правильно выбрать глубину резания. Этот параметр, который представляет собой разницу между обрабатываемой поверхностью и уже обработанной, или толщину снимаемого слоя, должен быть достаточно велик, чтобы за один проход фрезы формировать нужную форму детали. Когда требуется особенно гладкая и чистая поверхность, снятие металла происходит в две стадии: черновой и чистовой обработки. В отдельных случаях толщина слоя настолько значительна, что убрать ее полностью за два подхода не удается. В таких ситуациях возможно требование выполнения двух черновых проходов для достижения желаемой глубины.

Какие аспекты воздействуют на тангенциальную силу в процессе фрезерования?

В процессе фрезерования на тангенциальную силу резания оказывают влияние различные параметры. Среди них — прочность разрезаемого материала на растяжение, площадь поперечного сечения стружки, которая остается неразрезанной, количество зубьев на режущем инструменте, взаимодействующих с заготовкой, а также коэффициенты зацепления материала и износа самого инструмента.

Как влияет степень износа режущего инструмента на удельную силу резания при фрезеровании?

Износ режущего инструмента оказывает прямое воздействие на необходимую силу резания, повышая или понижая эффективность процесса. С увеличением степени износа инструмента требуется больше усилий для срезания материала, поскольку нужно больше энергии. Чтобы контролировать силу, необходимую для резания, важно проводить систематическое обслуживание и своевременно заменять инструменты.

Можно ли снизить интенсивность резки, варьируя параметры резания?

Возможно снизить силу резания путем оптимизации режимов резки. Это включает в себя корректировку скорости и подачи инструмента, использование режущих инструментов с более подходящими материалами и покрытиями, а также применение смазочных материалов для сокращения трения. Полезно оптимизировать количество зацепляющихся зубьев и размеры поперечного сечения неразрезанной стружки, что способствует дополнительному уменьшению силы резания. Оптимизация сил резания при фрезеровании концевой и дисковой фрезой может значительно повысить эффективность обработки и продлить срок службы инструмента.

Изучение зависимости усилий резания от условий работы при фрезеровании имеет важное практическое значение. Эти силы, искривляя фрезу, заготовку и элементы станка, снижают качество обработанной поверхности. Энергия, необходимая для преодоления этих сил, потребляется электродвигателем станка, что увеличивает расход электроэнергии.