Виды фрезерной обработки и работ на фрезерных станках

Фрезерование относится к методам механической обработки резанием: металл снимает вращающаяся многолезвийная фреза, а заготовка перемещается относительно неё. Рядом стоят точение, сверление и шлифование, а в цеху процесс называют фрезеровкой (в быту так же зовут декоративную обработку мебельных фасадов и маникюрную процедуру). Виды фрезерной обработки делят по четырём основаниям: расположению поверхности, направлению подачи, стадии процесса и типу инструмента.

Базовых схем две: цилиндрическая и торцевая. Встречный и попутный ход различают по направлению движения, а по стадии выделяют черновой, получистовой и чистовой проходы. Виды работ на фрезерных станках сводятся к одному набору: плоскости, уступы, пазы, шлицы, отверстия, фаски, профили и гравировка. Точность задаёт стадия: черновые проходы дают 11–12 квалитет, заключительные 8–9, отдельные операции 7–8 (квалитеты по ГОСТ 25347-2013, введённому взамен ГОСТ 25347-82).

Принцип фрезерования, главное движение и движение подачи

В основе метода лежат два движения. Главное движение резания выполняет фреза, вращаясь в шпинделе. Движение подачи задаёт заготовка, которая перемещается относительно вращающейся фрезы. Термины «главное движение резания» и «движение подачи» даны здесь по действующему ГОСТ 25762-83 «Обработка резанием. Термины, определения и обозначения общих понятий».

Съём материала здесь прерывистый.

Каждый зуб фрезы поочерёдно врезается в металл, снимает стружку переменной толщины и выходит из реза, поэтому нагрузка на шпиндельную группу пульсирует. Отсюда и требование к расчёту режимов. Скорость резания, подачу и глубину резания подбирают так, чтобы не разогнать вибрации и не износить фрезу раньше срока.

Цилиндрическое и торцевое фрезерование как базовые схемы

По расположению обрабатываемой поверхности виды фрезерной обработки делятся на два вида. При цилиндрическом фрезеровании режут только периферийные зубья, а обрабатываемая плоскость параллельна оси вращения фрезы. Такой ход удобен для протяжённых плоскостей при горизонтальной компоновке.

У торцевой схемы в работе одновременно и торцевые, и периферийные режущие кромки.

Глубина внедрения зубьев меняется от периферии к центру, нагрузка распределяется на большее число кромок, поэтому торцевая фреза берёт большие плоскости и уступы производительнее цилиндрической.

Встречное и попутное фрезерование

Второе основание — куда направлена подача относительно вращения фрезы. От этого зависят нагрузка на узлы, требования к креплению заготовки и стойкость инструмента.

Что закреплять за черновыми переходами, решает не ярлык, а условия задачи.

Преимущества и риски встречной подачи

Встречное фрезерование («на зуб») означает, что подача направлена против вращения фрезы. Толщина стружки растёт от минимальной до наибольшей на выходе зуба, врезание идёт мягко, ударные нагрузки на шпиндельную группу снижаются. Встречная схема терпима к литейной корке, ведь зуб подходит под твёрдый слой снизу.

Плата за это заметна сразу. Расклинивающие усилия отрывают деталь от стола, а срезанная стружка может попасть под зуб повторно. Мера здесь одна, и это усиленная фиксация прижимами или тисками плюс свободный отвод стружки. Такой ход требует и большей мощности привода, а при неверных режимах перегревает фрезу, поэтому режимы резания контролируют строго.

Цена меры невелика, ведь прижимы и минуты на выверку дешевле испорченной заготовки и замены фрезы.

Когда применяют попутную подачу

При попутном фрезеровании («под зуб») направления подачи и вращения совпадают. Зуб входит в металл сразу с наибольшей толщиной стружки, возникающие силы прижимают заготовку к опоре, врезание плавное, а рез выходит чище.

Ограничения здесь жёсткие.

Литая корка быстро выкрашивает зуб, ведь он бьёт по твёрдому слою на полной толщине среза. Неоднородности после термоупрочнения попутная схема тоже переносит плохо.

Выбор схемы для черновых и чистовых переходов

Сверяют пять условий задачи:

• Корка и окалина на заготовке склоняют к встречной подаче.
• Попутный ход требует надёжного прижима: без него тонкую стенку, как правило, уводит от фрезы.
• Привод без выборки зазора делает попутный ход опасным.
• После термоупрочнения твёрдость меняется по сечению заготовки.
• На чистовых проходах шероховатость выходит ниже у попутного хода.

Черновой проход по чистому прокату спокойно идёт попутным ходом, а обдирка литья с коркой потребует встречного. Формула «встречная для черновой, попутная для чистовой» верна настолько, насколько верны её условия.

Черновая, получистовая и чистовая обработка

Виды обработки фрезерованием разделяют и по стадии. Слой металла, который предстоит срезать, называют припуском (понятие определено в ГОСТ 3.1109–82 «ЕСТД. Термины и определения основных понятий»), и удаляют его за один проход или за несколько.

Черновая обработка снимает наибольший объём материала и оставляет под чистовую малый припуск; точность держится в пределах 11–12 квалитета. Получистовой проход снимает следы обдирки и готовит равномерный припуск под финиш. Чистовая обработка выводит деталь на 8–9 квалитет, а на отдельных операциях на 7–8.

Припуск 3 мм на сторону делят так: черновой проход снимает 2,2 мм, получистовой 0,6 мм, чистовой оставшиеся 0,2 мм. В сумме те же 3 мм, но итог выходит на 8–9 квалитет, тогда как за один черновой проход точность осталась бы на 11–12. Числа здесь ориентир, а деление припуска задаёт технолог по материалу и требованию чертежа.

Виды работ, выполняемых на фрезерных станках

Виды обработки на фрезерных станках перечисляют по элементам детали: плоскости, уступы, пазы, канавки и шлицы, отверстия и вырезы, фаски, объёмные профили, гравировка.

Одну деталь при этом обрабатывают набором фрез разной формы и диаметра. Смена фрезы под каждый элемент экономит и время, и стойкость.

Обработка плоскостей и уступов

Плоскость получают торцевой фрезой на вертикальном шпинделе или цилиндрической на горизонтальном.

Уступ (ступень на боковой стенке детали) выбирают концевой фрезой, где боковая кромка формирует стенку, а торцевая дно. Здесь важен вылет, ведь длинную фрезу отжимает и стенка уступа получает завал.

Пазы, канавки, шлицы и отверстия

Прямой паз прорезают дисковой или концевой фрезой, шпоночный паз под вал берут шпоночной, шлицы нарезают фасонным дисковым инструментом с делительной головкой. Дисковыми фрезами обрезают заготовки, выбирают металл, прорезают пазы и снимают фаску. Режущая кромка у них бывает с одной или с обеих сторон, а работать они способны при существенных вибрациях.

Отверстие фрезеруют, когда нужен точный диаметр или некруглый вырез, и тогда концевая фреза входит по спирали и обходит контур. Кольцевая фреза формирует отверстие в несколько раз быстрее, чем сверло того же диаметра. Режет она только узкий поясок, а сердцевина выходит целым керном.

Профильная и объёмная обработка

Фасонную поверхность ведут фасонной фрезой, профиль которой повторяет форму изделия, либо построчным проходом сферической концевой фрезы по программе. Профильное фрезерование включает черновую, получистовую и чистовую стадии, а сложные траектории обеспечивают многокоординатные обрабатывающие центры.

Гравировку ведут фрезой малого диаметра на высоких оборотах шпинделя.

Фрезерование ручным инструментом и его ограничения

Ручной фрезер закрывает мелкие работы по месту: пазы и четверти, снятие фасок, углубления под фурнитуру, монтажные отверстия малых диаметров, вырезание профилей по шаблону. Чаще им работают по древесине, фанере и полимерам, реже по мягким цветным сплавам.

Дальше начинаются ограничения, и они принципиальные.

Точность ниже станочной, потому что инструмент удерживает оператор, и размер держится по шаблону и упору, а не по лимбу или программе. Нужны и физические усилия, а на длинном проходе по твёрдому материалу качество реза к концу ухудшается. Ручного фрезера достаточно для небольших заготовок и единичных работ; серия, стабильный квалитет и сталь требуют стационарного оборудования.

Типы фрезерных станков и их назначение

Оборудование различают по расположению шпинделя и по компоновке:

• Универсально-фрезерный станок с поворотным столом закрывает работу под углом в единичном производстве.
• Вертикальный консольно-фрезерный станок со шпинделем сверху ведёт плоскости, уступы и пазы.
• Горизонтально-фрезерный несёт оправку с дисковыми фрезами для длинных пазов.
• Бесконсольные вертикальные и горизонтальные опирают стол на станину, отсюда жёсткость под тяжёлые детали.
• Продольно-фрезерный обрабатывает длинные плоскости несколькими шпиндельными головками сразу.
• Широкоуниверсальный добавляет поворотную головку и переходы без переустановки.

Выбор определяет не название, а три вещи: габариты, номенклатура операций и серийность. Единичные изделия разной формы просят универсальности, повторяющаяся партия требует жёсткости и автоматизации. Прежде чем сравнивать модели, стоит разобраться в устройстве фрезерного станка, ведь узлы задают и точность, и ремонтопригодность.

Возможности фрезерной обработки на станках с ЧПУ

Станки с ЧПУ (числовым программным управлением) ведут работу по программе практически без участия оператора. Отсюда и повторяемость. Изделия в партии выходят одинаковыми, а точность позиционирования измеряется единицами микрон. Сложная конфигурация перестаёт быть штучной работой.

Микроны и квалитеты описывают разное, и путать их при приёмке дорого.

Микрон задаёт абсолютное отклонение, квалитет привязывает допуск к размеру. По ГОСТ 25347-2013 один и тот же 8-й квалитет даёт разный допуск для диаметра 20 и 200 мм. Многокоординатный станок добавляет к трём линейным осям поворотные, и деталь обрабатывается с нескольких сторон за одну установку. Такие станки с ЧПУ с пуско-наладочными работами берут вместе с обучением оператора, ведь программу и оснастку осваивают до первой партии.

Разновидности фрез и задачи каждой из них

Инструмент делят по назначению:

• Торцевая фреза берёт большие плоскости и уступы.
• Концевая фреза ведёт контуры, карманы и объёмные поверхности.
• Дисковая фреза прорезает пазы, обрезает заготовки, снимает фаску.
• Цилиндрическая фреза обрабатывает протяжённые плоскости при горизонтальном шпинделе.
• Угловая фреза нужна для наклонных плоскостей и угловых пазов.
• Фасонная фреза повторяет профиль постоянного сечения по всей длине реза.
• Кольцевая фреза даёт отверстия большого диаметра в листе и профиле.
• Шпоночная фреза выбирает шпоночный паз под вал.

Внутри одного типа разница тоже есть. Цилиндрические фрезы с винтовыми зубьями работают плавно, потому что зуб входит в металл постепенно и в резе всегда остаётся хотя бы одно лезвие. Прямозубые берут для узких участков и канавок.

Диаметр подбирают под рабочую зону: ширина паза задаёт диаметр концевой фрезы напрямую, а плоскость выгоднее перекрывать фрезой шире обрабатываемой зоны.

Геометрия зуба фрезы и её влияние на резание

У зуба различают переднюю и заднюю поверхности и режущую кромку между ними. Вдоль неё оставляют ленточку, узкую полоску шириной не более 0,1–0,2 мм. Угловой шаг зубьев равен 360°, делённым на их число. У мелкозубой фрезы работа ровнее, у крупнозубой каждый зуб берёт толще.

Остроконечные зубья делают трёх типов. Прямая спинка идёт мелкозубым фрезам для лёгких работ, и такой зуб выдерживает 6–8 переточек. Ломаную спинку дают крупному зубу для тяжёлых условий, а криволинейная спинка очертанием близка к параболе.

Затылованный зуб стоит особняком.

Затылок такого зуба выполнен по архимедовой спирали, и затачивают его по передней поверхности, поэтому профиль кромки сохраняется до полного использования фрезы. Такой зуб идёт на фасонных фрезах, которыми режут зубья шестерён и шлицевые валики.

Параметры, влияющие на точность и качество поверхности

Результат у всех видов фрезерной обработки держится на трёх группах параметров. Первая — режимы резания: скорость, подача на зуб и глубина. Вторая — жёсткость системы из станка, приспособления, инструмента и детали; длинный вылет фрезы и слабый прижим дают увод размера. Третья — состояние инструмента, то есть биение в шпинделе, износ по задней поверхности и затупление кромки.

Рядом стоит отвод стружки, ведь вернувшаяся в рез она портит стенку и скалывает лезвие.

Что результат не достигнут, видно по признакам: волнистые следы и дробление на срезе, размер вне допуска при замере, потемнение режущей части, изменившийся звук. Первое действие всегда одно. Остановить процесс, снять пробную деталь и промерить её, а затем уменьшить подачу или глубину и проверить биение фрезы.

Материалы, которые обрабатывают фрезерованием

Фрезеруют стали, чугуны и цветные сплавы, а помимо металлов композиты, полимеры, древесину и стеклокерамику. Условие простое. Тип фрезы, материал режущей части и режимы подобраны под материал.

Меняется при этом почти всё. Полимеры и композиты просят острой заточки и большого переднего угла, иначе материал плавится или расслаивается по волокну. Древесина требует высоких оборотов и удаления пыли, а стеклокерамику ведут алмазным инструментом, медленно и без ударов.

Есть у метода и принципиальные ограничения, которые деньгами не снимаются.

Тела вращения дешевле точить, а глубокие отверстия малого диаметра остаются за сверлением и расточкой. Закалённые слои высокой твёрдости уходят к шлифованию и электроэрозии, тонкостенную деталь ведёт от усилий фрезы, и спасает здесь оснастка, а не мощность.

Чек-лист выбора: от операции к фрезе и станку

Свод ниже связывает виды фрезерных работ с инструментом и классом техники, а по нему проверяют, закрывает ли оборудование вашу номенклатуру.

Операция	Инструмент	Оборудование
Плоскости и торцы	Торцевая, цилиндрическая	Вертикальный, продольно-фрезерный
Уступы и карманы	Концевая	Вертикальный консольно-фрезерный
Пазы и канавки	Дисковая, шпоночная	Горизонтально-фрезерный
Шлицы и зубчатые профили	Фасонная дисковая	Горизонтальный с делительной головкой
Отверстия и вырезы	Концевая, кольцевая	Вертикальный, обрабатывающий центр
Объёмный профиль и гравировка	Сферическая концевая	Многокоординатный с ЧПУ

Перед покупкой пройдите по пунктам:

• Тип операции и стадия, то есть только обдирка либо ещё и чистовые переходы.
• Состояние поверхности металла, где литейная корка и окалина спорят с чистым прокатом.
• Свойства материала, от твёрдости до поведения после термоупрочнения.
• Серийность и габариты, от единичных деталей до партии одного типоразмера.
• Требуемый квалитет точности и способ контроля, то есть чем и по какой методике изделие примут.

Из этого чек-листа складываются вопросы поставщику. Какой квалитет модель держит на вашем материале и размере, что входит в поставку из оснастки, кто выполняет пусконаладку и обучение. Плохим ответом считайте «точность высокая» без цифры допуска и условий замера. Бюджет тоже складывается не из одной цены техники. К ней добавляются оснастка, доставка и таможенное оформление, пусконаладка и обучение, а дальше расходники: фрезы на замену, СОЖ (смазочно-охлаждающая жидкость), фильтры. Сроки и гарантию уточняйте при заказе.

Цена ошибки считается так же просто. Модель, не удерживающая нужный квалитет, переводит часть партии в брак, и переделка обходится дороже первого прохода. Объём гарантии задаёт договор поставки: где-то она закрывает только отказ узлов, где-то включает и приёмку по точности, поэтому условие оговаривают заранее и точность проверяют до отгрузки, на пробном изделии.

Ресурс фрезы держится на регулярности:

• Перед каждой установкой фрезы проверяют биение и чистоту конуса шпинделя.
• В начале смены осматривают кромки, и блестящая полоска износа говорит, что пора на переточку.
• Мелкозубая фреза с прямой спинкой выдерживает 6–8 переточек, дальше её выводят из оборота.

Собранный по этим пунктам перечень операций уже готов служить техническим заданием. С ним разговор с поставщиком идёт предметно, а не по названию модели. Мы проводим такой разбор до покупки и сверяем номенклатуру работ, материалы и требуемый квалитет с возможностями оборудования. Если парк собирается с нуля, посмотрите заранее, как выбрать фрезерный станок под задачи производства.

Частые вопросы

Чем фрезерная обработка отличается от токарной?

Распределением движений. При точении вращается заготовка, а резец подаётся вдоль оси; при фрезеровании вращается многолезвийный инструмент, а перемещается заготовка. Отсюда и разные области: точение берёт тела вращения, фрезерование закрывает призматические детали и профили.

Чем опасна литейная корка на заготовке для фрезы?

Корка твёрже основного металла и несёт остатки формовочной смеси, поэтому кромка выкрашивается за считаные минуты. Обдирку литья ведут встречной подачей и с такой глубиной, чтобы зуб шёл под твёрдым слоем, а не по нему.

Почему кольцевой фрезой отверстие получают быстрее, чем сверлом?

Кольцевая фреза режет узкий поясок по контуру, а середина остаётся керном и удаляется целиком. Металла срезается заметно меньше, чем при сверлении, поэтому отверстие получают в несколько раз быстрее и с меньшей нагрузкой на привод.

Сколько переточек выдерживает фреза с остроконечным зубом?

Мелкозубая фреза с прямой спинкой зуба выдерживает 6–8 переточек. У крупнозубых фрез с ломаной спинкой запас металла больше, но фактическое число заточек зависит от глубины выкрашивания: повреждённая кромка съедает сразу несколько циклов.

Что делать, если стружка попадает обратно в зону резания?

Остановить движение и убрать стружку, ведь повторное резание портит стенку реза и скалывает зуб. Дальше меняют условия отвода: направляют СОЖ или сжатый воздух в зону, разворачивают деталь, уменьшают ширину фрезерования, а при встречной схеме рассматривают переход на попутную.