Фрезы — это режущие инструменты, которые обычно используются во фрезерных станках или обрабатывающих центрах для выполнения фрезерных операций (и иногда в других станках ). Они удаляют материал посредством движения внутри станка (например, шаровая фреза) или непосредственно из формы фрезы (например, инструмент формы, такой как червячная фреза).
Фрезы бывают разных форм и размеров. Также есть выбор покрытий, переднего угла и количества режущих поверхностей.
Концевые фрезы (средний ряд на изображении) — это инструменты, которые имеют режущие зубья на одном конце, а также по бокам. Термин « концевая фреза» обычно используется для обозначения фрез с плоским дном, но также включает в себя закругленные фрезы (называемые шаровидными ) и радиусные фрезы (называемые бычьими или тороидальными ). Обычно они изготавливаются из быстрорежущей стали или твердого сплава и имеют одну или несколько канавок. Это наиболее распространенный инструмент, используемый в вертикальной фрезе.
Черновые концевые фрезы быстро удаляют большие объемы материала. Этот тип концевых фрез использует волнообразную форму зуба, срезанную по периферии. Эти волнистые зубья действуют как множество последовательных режущих кромок, производя множество мелких стружек. Это приводит к относительно грубой отделке поверхности, но стружка принимает форму коротких тонких секций и более управляема, чем более толстая, более лентовидная секция, в результате чего получается более мелкая стружка, которую легче очистить. Во время резки несколько зубьев одновременно контактируют с заготовкой, что снижает вибрацию и дребезжание. Быстрое удаление материала с помощью тяжелых фрезерных резов иногда называют дроблением . Черновые концевые фрезы также иногда называют фрезами «риппа» или «риппер».
Шаровидные фрезы или шаровые концевые фрезы (нижний ряд на изображении) похожи на пазовые сверла, но концы фрез полусферические . Они идеально подходят для обработки трехмерных контурных форм в обрабатывающих центрах , например, в пресс-формах и штампах . Иногда на цеховом жаргоне их называют шаровыми мельницами , несмотря на то, что этот термин имеет и другое значение . Они также используются для добавления радиуса между перпендикулярными гранями с целью снижения концентрации напряжений .
Фреза с заостренным концом фрезерует паз с угловым радиусом, промежуточным между концевой фрезой и шаровой фрезой; например, это может быть фреза диаметром 20 мм с углом радиуса 2 мм. Силуэт по сути представляет собой прямоугольник с усеченными углами (фаской или радиусом).
Слябовые фрезы используются либо сами по себе, либо в операциях группового фрезерования на ручных горизонтальных или универсальных фрезерных станках для быстрой обработки больших широких поверхностей. Они были заменены использованием торцевых фрез с твердосплавными напайками, которые затем используются в вертикальных фрезах или обрабатывающих центрах.
Боковая фреза разработана с режущими зубьями по бокам и по окружности. Они изготавливаются разного диаметра и ширины в зависимости от применения. Зубья по бокам позволяют фрезе делать несбалансированные разрезы (резку только с одной стороны) без отклонения резака, как это произошло бы с продольной пилой или пазовым резцом (без боковых зубьев).
Фрезы этого форм-фактора были самыми ранними разработанными фрезами. С 1810-х годов по 1880-е годы они были наиболее распространенной формой фрезы, тогда как сегодня это отличие, вероятно, принадлежит концевым фрезам. Традиционно боковые и торцевые фрезы HSS используются для фрезерования пазов и канавок.
Имеется 8 фрез (за исключением редких половинных размеров), которые нарезают шестерни от 12 зубьев до рейки (бесконечный диаметр).
Эти фрезы являются типом формовочного инструмента и используются в зубофрезерных станках для создания зубчатых колес. Поперечное сечение зуба фрезы создаст требуемую форму на заготовке, как только будут установлены соответствующие условия (размер заготовки). Зубофрезерный станок — это специализированный фрезерный станок.
В то время как фреза взаимодействует с заготовкой подобно сопряженной шестерне (и постепенно обрабатывает заготовку, пока она не достигнет окончательной формы), резьбовая фреза работает подобно концевой фрезе, перемещаясь вокруг заготовки по винтовой интерполяции.
Торцевая фреза — это резец, предназначенный для торцевания, а не, например, для создания кармана (концевые фрезы). Режущие кромки торцевых фрез всегда расположены вдоль ее сторон. Таким образом, она всегда должна резать в горизонтальном направлении на заданной глубине, поступая снаружи заготовки. Несколько зубьев распределяют нагрузку стружки, и поскольку зубья обычно представляют собой одноразовые твердосплавные пластины , эта комбинация позволяет выполнять очень крупное и эффективное торцевое фрезерование.
Летучая фреза состоит из корпуса, в который вставлены один или два резца . Поскольку весь блок вращается, резцы выполняют широкие, неглубокие торцевые резы. Летучие фрезы аналогичны торцевым фрезам в том, что их цель — торцевое фрезерование, а их отдельные резцы заменяемы. Торцевые фрезы более идеальны во многих отношениях (например, жесткость, индексируемость пластин без нарушения эффективного диаметра резца или смещения длины инструмента, глубина резания), но, как правило, дороги, тогда как летучие фрезы очень недороги.
Большинство летучих фрез просто имеют цилиндрический центральный корпус, который удерживает один резец. Обычно это стандартный левосторонний токарный инструмент, который удерживается под углом от 30 до 60 градусов. Летучие фрезы с двумя резцами не имеют «официального» названия, но часто называются двойными летучими фрезами, двухсторонними летучими фрезами или летучими планками. Последнее название отражает то, что они часто принимают форму стального стержня с резцом, закрепленным на каждом конце. Часто эти стержни будут устанавливаться под прямым углом к главной оси стержня, а геометрия резки обеспечивается с помощью стандартного правостороннего токарного инструмента.
Обычные летучие фрезы (одно резцовое лезвие, диаметр стрелы обычно менее 100 мм) широко продаются в каталогах инструментов для станочников. Летучие стержни редко продаются в коммерческих целях; обычно их изготавливают сами пользователи. Летучие стержни, возможно, немного более опасны в использовании, чем концевые фрезы и обычные летучие стержни из-за их большего размаха. Как выразился один станочник, работа летучей стержни похожа на «работу газонокосилки без деки» [2] , то есть открытый качающийся резак представляет собой довольно большую возможность для захвата находящихся поблизости ручных инструментов, тряпок, пальцев и т. д. Однако, учитывая, что станочник никогда не может быть беззаботным безнаказанно около вращающихся резаков или заготовок, это просто означает использование той же осторожности, что и всегда, за исключением немного более высоких ставок. Хорошо сделанные летучие стержни в добросовестных руках обеспечивают годы беспроблемной и экономически эффективной службы для торцевания больших многоугольных заготовок, таких как блоки штампов/пресс-форм.
Фрезы сегментные используются для вырезания шпоночного паза под сегментную шпонку .
Полые фрезы, чаще называемые просто полыми фрезами , по сути, являются «концевыми фрезами наизнанку». Они имеют форму куска трубы (но с более толстыми стенками), а их режущие кромки находятся на внутренней поверхности. Первоначально они использовались на револьверных токарных станках и винтовых станках в качестве альтернативы токарной обработке с помощью коробчатого инструмента или на фрезерных станках или сверлильных станках для отделки цилиндрической бобышки (например, цапфы ) . Полые фрезы можно использовать на современных токарных станках с ЧПУ и станках швейцарского типа . Преимуществом использования индексируемой регулируемой полой фрезы на станке швейцарского типа является замена нескольких инструментов. Выполняя несколько операций за один проход, станок не нуждается в других инструментах в зоне инструмента, а также повышает производительность.
Более современные полые фрезы используют для резки сменные твердосплавные пластины, хотя по-прежнему применяются традиционные лезвия из быстрорежущей стали и твердосплавные напайки.
Полое фрезерование имеет преимущество перед другими способами резки, поскольку может выполнять несколько операций. Полое фрезерование может уменьшать диаметр детали, а также выполнять торцевание , центрирование и снятие фасок за один проход.
Полые фрезы имеют преимущество перед одноточечными инструментами. Несколько лезвий позволяют удвоить скорость подачи и могут поддерживать более тесную концентричность. Количество лезвий может быть как 8, так и 3. Для значительного удаления диаметра (черновая обработка) необходимо больше лезвий.
Трепанирование также возможно с помощью полой фрезы. Специальные лезвия формы могут использоваться на полой фрезе для трепанирования диаметров, форм и кольцевых канавок.
При использовании полой фрезы интерполяция также не требуется; это может привести к значительному сокращению времени производства.
С помощью полой фрезы можно получить как выпуклые, так и вогнутые сферические радиусы. Многочисленные лезвия полой фрезы позволяют изготавливать этот радиус, сохраняя при этом жесткий допуск.
Распространенное применение полой фрезы — подготовка к резьбонарезанию. Полая фреза может быстро создать постоянный диаметр предварительной резьбы, повышая производительность.
Регулируемая полая фреза — ценный инструмент даже для небольшой механической мастерской, поскольку лезвия можно менять, создавая практически бесконечное количество возможных геометрий.
Насадная фреза — это любая из разновидностей фрезы (обычно торцевая или концевая фреза), конструкция которой имеет модульную форму, при этом хвостовик (вал) изготавливается отдельно от корпуса фрезы, который называется «валом» и крепится к хвостовику/валу с помощью любого из нескольких стандартизированных методов соединения.
Этот модульный стиль конструкции подходит для больших фрез примерно по той же причине, по которой большие дизельные двигатели используют отдельные детали для каждого цилиндра и головки, тогда как меньший двигатель будет использовать одну интегрированную отливку. Две причины заключаются в том, что (1) для производителя практичнее (и, следовательно, дешевле) изготавливать отдельные детали как отдельные начинания, чем обрабатывать все их особенности по отношению друг к другу, пока весь блок интегрирован (что потребовало бы большего рабочего диапазона станка); и (2) пользователь может заменить некоторые детали, оставив другие детали прежними (вместо того, чтобы менять весь блок). Одна оправка (по гипотетической цене 100 долларов США) может служить для различных оболочек в разное время. Таким образом, 5 различных фрез могут потребовать стоимость оправки всего в 100 долларов США, а не в 500 долларов США, если рабочий процесс цеха не требует их всех одновременной настройки. Также возможно, что сломанный инструмент сломает только оболочку, а не обе оболочку и оправку. Чтобы также избежать повреждения оболочки, многие фрезы, особенно больших диаметров, также имеют другую сменную часть, называемую прокладкой, которая крепится к оболочке, а вставки крепятся на прокладку. Таким образом, в случае легкого повреждения требуется замена только вставки и максимум прокладки. Оболочка безопасна. Это было бы похоже на то, как если бы разбили «обычную» концевую фрезу и смогли бы повторно использовать хвостовик, а не потерять его вместе с канавками.
В большинстве современных насадных фрез используются сменные пластины для режущих кромок, поэтому хвостовик, корпус и режущие кромки представляют собой модульные компоненты.
Существует несколько общих стандартизированных методов крепления насадных фрез к их оправкам. Они частично (но не полностью) совпадают с аналогичным присоединением токарных патронов к торцу шпинделя .
Наиболее распространенный тип соединения между оболочкой и валом включает довольно большую цилиндрическую деталь в центре (чтобы расположить оболочку концентрично валу) и два приводных выступа или хвостовика, которые приводят оболочку в движение с положительным зацеплением (как кулачковая муфта ). В центральной цилиндрической области один или несколько винтов с головкой под торцевой ключ крепят оболочку к валу.
Другой тип крепления оболочки — это просто мелкая резьба большого диаметра. Затем оболочка навинчивается на оправку так же, как задние пластины токарного патрона старого образца навинчиваются на переднюю часть шпинделя токарного станка. Этот метод обычно используется на 2-дюймовых или 3-дюймовых расточных головках, используемых на конических фрезерных станках. Как и в случае с резьбовыми патронами токарного шпинделя, этот стиль крепления требует, чтобы резак делал резы только в одном направлении вращения. Обычно (т. е. с правосторонней ориентацией спирали) это означает только M03 , никогда M04 , или в терминологии до появления ЧПУ, «только вперед, никогда назад». Можно использовать левую резьбу, если нужен режим использования, включающий противоположные направления (т. е. только M04, никогда M03).
Хотя существует множество различных типов фрез, понимание образования стружки имеет основополагающее значение для использования любой из них. По мере вращения фрезы в нее подается разрезаемый материал, и каждый зуб фрезы срезает небольшую стружку материала. Достижение правильного размера стружки имеет решающее значение. Размер этой стружки зависит от нескольких переменных.
Механику нужны три значения: S , F и Глубина при принятии решения о том, как резать новый материал новым инструментом. Однако, вероятно, производитель инструмента предоставит ему значения V c и F z . S и F можно рассчитать из них:
Фреза может резать в двух направлениях, иногда называемых обычными или вверх - вниз .
Расположение фрезы — это тема о том, где расположить фрезу, чтобы получить желаемый контур (геометрию) заготовки, учитывая, что размер фрезы не равен нулю. Наиболее распространенным примером является компенсация радиуса фрезы (CRC) для концевых фрез , где осевая линия инструмента будет смещена от целевого положения на вектор , расстояние которого равно радиусу фрезы и направление которого регулируется различием влево/вправо, подъем/обычный, вверх/вниз. В большинстве реализаций G-кода именно G40 по G42 контролируют CRC (отмена G40, подъем G41 влево/обычный, G42 вправо/обычный). Значения радиуса для каждого инструмента вводятся в регистр(ы) смещения оператором ЧПУ или станочником, который затем корректирует их во время производства, чтобы поддерживать готовые размеры в пределах допуска . Расположение фрезы для 3D-контурирования при 3-, 4- или 5-осевом фрезеровании с помощью шаровой концевой фрезы легко обрабатывается программным обеспечением CAM, а не ручным программированием. Обычно вывод вектора CAM постобрабатывается в G-код программой постпроцессора, которая адаптирована к конкретной модели управления ЧПУ. Некоторые поздние модели управления ЧПУ принимают вывод вектора напрямую и выполняют преобразование во входы сервопривода самостоятельно, внутренне.
Другим важным качеством фрезы, которое следует учитывать, является ее способность справляться со стружкой , образующейся в процессе резки. Если стружка не удаляется так же быстро, как и образуется, канавки засорятся и помешают эффективному резанию инструмента, вызывая вибрацию, износ инструмента и перегрев. На удаление стружки влияют несколько факторов, включая глубину и угол канавок, размер и форму стружки, поток охлаждающей жидкости и окружающий материал. Это может быть трудно предсказать, но хороший станочник будет следить за скоплением стружки и корректировать условия фрезерования, если это замечено.
Выбор фрезы — непростая задача. Необходимо учитывать множество переменных, мнений и преданий, но по сути станочник пытается выбрать инструмент, который будет резать материал в соответствии с требуемыми характеристиками с наименьшими затратами. Стоимость работы — это комбинация цены инструмента, времени, затраченного фрезерным станком, и времени, затраченного станочником. Часто для работ с большим количеством деталей и днями обработки стоимость инструмента оказывается самой низкой из трех затрат.
История фрез тесно связана с историей фрезерных станков . Фрезерование произошло от вращающегося опиливания, поэтому существует непрерывное развитие между самыми ранними известными фрезами, такими как фреза Жака де Вокансона примерно с 1760-х или 1770-х годов, [3] [4] через фрезы пионеров фрезерования 1810-х по 1850-е годы ( Уитни , Норт , Джонсон, Нейсмит и другие), [5] и фрезами, разработанными Джозефом Р. Брауном из Brown & Sharpe в 1860-х годах, которые считались прорывом из прошлого [6] [7] из-за их большого шага вперед в грубости зубьев и геометрии, которая могла выдерживать последовательные заточки без потери зазора (передняя часть, боковая передняя часть и т. д.). Де Вриз (1910) [7] сообщал: «Эта революция в науке о фрезах произошла в Штатах около 1870 года и стала общеизвестной в Европе во время Венской выставки 1873 года . Как бы странно это ни казалось сейчас, что этот тип фрезы был принят повсеместно и его неоспоримое превосходство над старым европейским типом больше не вызывает сомнений, к нему относились очень недоверчиво, и европейские эксперты были очень сдержаны в выражении своих суждений. Даже мы сами можем вспомнить, что после того, как была представлена фреза с крупным шагом, некоторые очень умные и в других отношениях проницательные эксперты и инженеры относились к новому режущему инструменту со множеством покачиваний головой. Когда же Всемирная выставка в Филадельфии в 1876 году продемонстрировала европейским экспертам универсальное и многогранное применение фрезы с крупным шагом, которое превзошло даже самые оптимистичные ожидания, самые дальновидные инженеры тогда убедились в огромных преимуществах, которые применение нового типа открыло для металлообрабатывающая промышленность, и с этого времени американский тип развивался, сначала медленно, но затем быстрыми шагами». [8]
Вудбери приводит ссылки [9] на патенты на различные усовершенствования в конструкции фрезы, включая нерегулярное расстояние между зубьями (1867), формы вставленных зубьев (1872), спиральную канавку для разделения реза (1881) и другие. Он также приводит ссылку на то, как внедрение вертикальных фрез привело к более широкому использованию типов концевых фрез и летучих фрез. [10]
Научное исследование Хольца и Де Леу из компании Cincinnati Milling Machine Company [11] сделало зубья еще грубее и сделало для фрез то же, что Ф. У. Тейлор сделал для однолезвийных фрез с помощью своих знаменитых научных исследований по резанию.
Медиа, связанные с фрезерными головками на Wikimedia Commons