Расчёт режимов резания при фрезеровании

Возможно, вы уже задавались вопросом расчёта режимов резания, но при этом продолжали ломать фрезы и не понимать, что происходит? Почему так? Почему, например, вы уменьшаете подачу, а фреза всё равно работает в неправильном режиме? Звенит, издает нехарактерный звук и, как результат, быстро тупится и ломается. В этой статье вы найдете ответы на интересующие вас вопросы:

• Почему не стоит полагаться на режимы резания из каталогов
• Какие параметры входят в расчёт режимов резания
• Как назначать обороты и подачу по внешнему виду инструмента
• Как работать с различными материалами
• Какой методики расчёта режимов резания придерживаться

Сразу оговорюсь, что в начале статьи будет некоторая вводная информация, предназначенная для общего понимания. Рекомендую читать все по порядку, чтобы не только пользоваться методикой расчёта режимов резания, но и понимать, что откуда берется, и почему именно так. Данная статья в первую очередь рассказывает о расчёте режимов резания для ЧПУ станков, так как на них нет возможности «пощупать» усилие в процессе работы, как это делают на универсальных станках. На ЧПУ оборудовании нужно изначально назначать правильный режим, и только потом вносить небольшие коррективы в пределах ±20%.

Режимы резания из каталогов.

Мы часто слышим вопрос от наших клиентов: «Какие обороты и подачу поставить на ту или иную фрезу?» Можно ответить кратко: «Посмотрите по каталогу производителя!» Но к сожалению, это не является правильной рекомендацией по нескольким причинам:

1. Продавец зачастую завышает режимы резания на свою продукцию на 20-40%, чтобы иметь конкурентное преимущество перед другими поставщиками.
2. Продавец в большинстве случаев не имеет практического опыта работы с режущим инструментом и различными материалами.
3. И самое главное – когда вы соберетесь фрезеровать, каталога под рукой не окажется, а интернет предательским образом отключится!

На что тогда полагаться? На методику расчёта режимов резания, которую мы для вас подготовили! Она является результатом личного опыта работы на фрезерных ЧПУ станках с различными материалами. Возможно, что полученные режимы будут не самыми выигрышными в плане времени обработки, но они точно сохранят ваш инструмент и позволят работать в безопасном для него режиме, что наиболее важно для начинающих операторов ЧПУ!

Параметры режимов резания.

Как видно из рисунка, в режимы резания для фрезы входит 3 параметра:

• S – обороты (частота вращения шпинделя)
• F – подача (скорость, с которой движется инструмент)
• P – величина съема (слой материала, срезаемый фрезой)

Это именно та последовательность, с которой мы производим расчёт режимов резания для фрезы – далее будем её придерживаться. Данные буквенные обозначения используются в том числе и в самой программе на ЧПУ станок. Например, чтобы включить шпиндель на 1500 об/мин по часовой стрелке, мы записываем в программу «S1500 M3». Или, чтобы сделать проход вправо на 50 мм с подачей 300 мм/мин, мы пишем в программе «G1 X50 F300».

Внешний вид инструмента.

Дадим краткую характеристику фрез по внешнему виду, которую следует учитывать при расчёте режимов резания. Рассмотрим три примера:

Данная фреза имеет острые режущие кромки, большой угол завивки винтовой канавки, она 2-х зубая и не имеет покрытия. Все эти факторы свидетельствуют о том, что перед нами инструмент, идеально подходящий для фрезерования цветных металлов, а также вязких материалов (меди, пластиков), которые подвержены сильному нагреву и оплавлению в процессе резания. Такая фреза хорошо подходит для чистовых обработок с небольшими усилиями резания, но не подходит для сталей и черновых обдирок заготовок с большими съёмами.

Данные фрезы имеют более тупые углы заточки режущих кромок, они 4-х зубые (более жесткие) и имеют слой покрытия, уменьшающего трение и увеличивающего твёрдость поверхностного слоя. Всё это свидетельствует о том, что этот инструмент идеально подходит для обработки сталей, они достаточно прочные для работы с большими подачами, подходят в том числе и для черновых обдирок, при этом позволяют достичь хорошей чистоты поверхности.

На этом рисунке мы видим составную фрезу, состоящую из корпуса и твердосплавных пластинок. Как правило, такие фрезы имеют диаметр от 20 мм и более, так как цельный твердосплавный инструмент такого размера становится экономически не выгодным. Предназначение и поведение данных фрез зависит от установленных на них пластинок. Если пластинки без покрытия (блестящие) и имеют остро заточенные режущие кромки, значит, они предназначены для обработки цветных металлов. Если пластинки имеют покрытие и на ощупь кажутся тупыми, то они предназначены для сталей. По опыту использования, покрытие «золотистого» цвета хорошо подходит под нержавеющие стали, а покрытие черного цвета - под обычные конструкционные стали. Фрезы с твердосплавными пластинками «любят» большие подачи.

Вывод: не обязательно заглядывать в каталог или на сайт производителя режущего инструмента и искать у них калькулятор расчёта режимов резания – учитесь идентифицировать фрезы по их внешнему виду. Разновидностей не так много.

Особенности работы с различными материалами.

Здесь мы не будем вдаваться в подробности, а просто дадим список распространённых материалов и опишем особенности работы с ними. Список составлен по принципу от легкообрабатываемых (некапризных) материалов к более сложным.

• Пластики (модулан, капролон, фторопласт) – наиболее легкообрабатываемые материалы. Можно обрабатывать как на высоких, так и на низких оборотах, как с высокими, так и с низкими подачами. На инструмент действуют небольшие силы резания, можно давать большое заглубление. Обращать внимание нужно только на оплавление материала и в случае нагрева снижать обороты.
• Цветные металлы (дюраль, латунь, бронза) – также очень легко обрабатываемые материалы. Обрабатываются на высоких скоростях, стружка сходит легко, не перегреваются, на инструмент действуют небольшие силы резания. Можно обрабатывать без СОЖ (смазочно-охлаждающая жидкость). Режимы резания можно корректировать в большом диапазоне без боязни повредить инструмент.
• Медь, алюминий (мягкие алюминиевые сплавы типа АМГ) – всё то же самое, что и для цветных металлов, но с одной особенностью. В случае превышения скорости происходит резкий нагрев и оплавление материала, что моментально забивает фрезу – она перестаёт резать и сразу ломается. Для предотвращения этого явления нужно применять СОЖ.
• Конструкционные стали – для них обязательно применение фрез именно под стали с 3/4-мя зубьями и желательно с покрытием. Обработка ведется легко, если станок имеет достаточную жёсткость. Для сталей не стоит применять большие обороты, а также не стоит сильно снижать подачу, так как в этом случае фреза не режет материал, а «зализывает», что приводит к нагреву и ухудшению качества обрабатываемой поверхности. Величина снимаемого материала одним зубом (подача на зуб фрезы) должна быть достаточной.
• Нержавеющая сталь, титановые сплавы – наиболее капризные материалы в обработке. Требуют применения специального инструмента, подходящего для обработки этих материалов. Не «любят» большие обороты и подачу, требуют интенсивного охлаждения СОЖ. Не стоит усердствовать с глубиной врезания и снимать более чем 1/3 от диаметра фрезы. 

Методика расчётов режимов резания при фрезеровании.

1. Определяемся с первым параметром – оборотами фрезы (S).

Обороты рассчитываются исходя из оптимальной скорости резания для того или иного материала. Скорость резания – это не обороты! Это скорость, с которой режущая кромка движется относительно материала в метрах в минуту. Скорость резания – это отправная величина для расчёта, но не конечное знание оборотов, которое нам нужно. Условно разделим материалы на цветные металлы и стали, а фрезы на монолитные и с пластинками. Привожу рекомендуемые (подобранные опытным путем) скорости резания.

Монолитные:

• Цветные металлы 120-160 м/мин
• Стали 60-100 м/мин

С пластинками:

• Цветные металлы 180-220 м/мин
• Стали 120-160 м/мин

Формула расчёта скорости резания выглядит так:

Но нас всё-таки интересуют обороты, поэтому выразим S и получим формулу расчёта оборотов шпинделя:

где:

• S – обороты шпинделя (об/мин)
• V – скорость резания (м/мин)
• D – диаметр фрезы (мм)

Точности тут не требуется, полученные обороты можно округлять в любую сторону. Также стоит оговориться, что если Ваш станок не выдает высокие обороты, то не стоит беспокоиться – ставьте те, которые выдает, и работайте. Просто это будет немного медленнее, чем могло бы быть, так как подача будет напрямую зависеть от оборотов – чем меньше обороты, тем меньше будет подача.

Исходя из этих параметров, можно составить таблицу с рекомендациями оборотов для наиболее распространённых диаметров фрез.

2. Определяемся со вторым параметром – подачей (F).

В первую очередь это актуально для концевых монолитных фрез, так как они наиболее подвержены поломке в случае завышения или занижения скорости подачи. Для фрез с твердосплавными пластинками подачу можно брать исходя из расчёта 0.1-0.2 мм на зуб. При этом подача 0.1 мм на зуб будет идеальна для инструмента небольшого диаметра (20-30 мм), а 0.2 мм стоит применять только для более крупных фрез (от 40 мм в диаметре и более).

Для определения скорости подачи воспользуемся простой формулой:

F = D * k * N * S

где:

• F – подача (мм/мин)
• D – диаметр фрезы (мм)
• K – коэффициент 0.006-0.008
• N – количество зубьев фрезы
• S – обороты (об/мин)

Поясняю:

Умножая диаметр инструмента на коэффициент k, мы получаем допустимую подачу на один зуб фрезы. Например, возьмем инструмент диаметром 8 мм – у нас получится 8*0.007 = 0.056 мм/зуб. Если один зуб фрезы будет снимать меньше, то может произойти «зализывание» материала, нагрев и поломка. Если на один зуб будет приходиться больше, то возможна поломка фрезы из-за значительного увеличения сил резания. Далее, подачу на один зуб фрезы мы умножаем на количество зубьев (например, 3 зуба), получаем: 0.056*3 = 0.168 мм/об. Это тот путь фрезы, который она будет проходить за один оборот. Нам остаётся только умножить это значение на ранее выбранные исходя из обрабатываемого материала обороты, и готово! 0.168*5600 = 940 мм/мин.

Таким образом, для обработки цветных металлов 3-х зубой фрезой диаметром 8 мм нам необходимо поставить на нее 5600 об/мин и подачу около 900 мм/мин. Вот и весь расчёт!

3. Определяемся с третьим параметром – величиной съёма (P).

Или, другими словами, глубиной фрезерования. Тут всё просто, достаточно придерживаться правила: 1/3 от диаметра инструмента. Например, для фрезы диаметром 6 мм мы выберем величину съёма 2 мм, а для инструмента диаметром 12 мм допустимая глубина фрезерования составит уже 4 мм.

Но есть и нюансы:

• Если вы работаете только краем фрезы, то глубину фрезерования можно значительно увеличивать. Например, при использовании новомодного высокоскоростного фрезерования инструмент входит в материал на всю глубину режущей кромки, при этом величина перекрытия составляет всего около 5%.
• Если вы работаете с труднообрабатываемыми материалами, то правило 1/3 от диаметра может быть губительным для инструмента, возможно величину съёма придется значительно уменьшить.
• Если у вас скоростной шпиндель и нет возможности поставить на инструмент малые (расчётные) обороты, то ставьте больше, которые станок в состоянии выдать. Но при этом значительно уменьшайте глубину резания – это убережет фрезу от поломки, а шпиндель от перегрузки.
• Если у вас недостаточно жёсткий станок, то забудьте про большие съёмы по глубине в принципе. Самым оптимальным будет съём по 0.5-1 мм при рабочем диаметре фрезы не более 6 мм.

Заключение:

Для расчёта режимов резания при фрезеровании действуйте следующим образом:

1. Определитесь с обрабатываемым материалом и внимательно осмотрите фрезу.
2. Выберите из таблицы подходящие для нее обороты исходя из материала, типа фрезы и её диаметра.
3. По формуле расчёта режимов резания посчитайте необходимую подачу. Для труднообрабатываемых материалов выбирайте коэффициент 0.006, а для легкообрабатываемых – 0.008.
4. Определитесь с глубиной фрезерования, учитывая наши рекомендации.

Задача для закрепления:

- необходимо фрезеровать паз шириной 10 мм на глубину 6 мм

- концевой 3-х зубой фрезой диаметром 10 мм

- обрабатываемый материал: сталь

Ответ:

S (обороты) = 2500 об/мин

Кол-во проходов = 2

P (съём) = 3 мм

F (подача) = 525 мм/мин