Основы фрезерной обработки металлов

Учебное пособие: Основы фрезерной обработки металлов

1. Теоретический материал и ключевые концепции

1.1. Сущность процесса фрезерования

Фрезерование металлов — это операция механической обработки металлов резанием, выполняемая на фрезерных станках.

• Кинематика процесса: Главное движение (вращательное) совершает режущий инструмент — фреза. Вспомогательное движение (поступательное) совершает обрабатываемая заготовка.
• Обрабатываемые поверхности: На фрезерных станках изготавливают и обрабатывают детали, имеющие как плоские, так и фасонные поверхности.
• Отличие от точения и сверления: Фреза является многолезвийным инструментом, где каждый зуб представляет собой отдельный резец. В процессе фрезерования зубья фрезы работают периодически (в контакте с металлом одновременно находятся один или несколько зубьев, в то время как остальные в этот момент охлаждаются). Это снижает тепловую нагрузку, повышает износостойкость инструмента и обеспечивает высокую производительность обработки.

1.2. Конструкция и геометрия зуба фрезы

Зуб фрезы имеет форму клина и состоит из следующих конструктивных элементов:

1. Передняя поверхность: Поверхность, по которой сходит снимаемая стружка.
2. Канавка: Впадина между зубьями, служащая для отвода стружки из зоны резания.
3. Задняя поверхность: Поверхность, обращенная к обработанной поверхности заготовки.
4. Режущая кромка: Пересечение передней и задней поверхностей, непосредственно выполняющее резание.

Материалы для изготовления фрез:

• Инструментальные стали;
• Быстрорежущие стали;
• Металлокерамические твёрдые сплавы.

1.3. Устройство горизонтально-фрезерного станка НГФ-110Ш4

Школьные мастерские оснащаются широкоуниверсальными горизонтально-фрезерными станками модели НГФ-110Ш4.

Расшифровка маркировки:

• Н — Настольный;
• Г — Горизонтальный;
• Ф — Фрезерный;
• 110 — Наибольший диаметр применяемых фрез (в мм);
• Ш — Широкоуниверсальный;
• 4 — Четвёртая модель.

Основные узлы станка и их назначение:

• Основание: Служит фундаментом станка, опорой для станины (стойки) и консоли.
• Станина (стойка): Базовый элемент, на котором монтируются основные части и механизмы. Разделена на два отсека: в верхнем смонтирована коробка скоростей, в нижнем — электродвигатель. Передняя часть станины оснащена вертикальными направляющими для перемещения консоли, а верхняя часть — горизонтальными направляющими для перемещения хобота.
• Коробка скоростей: Передаёт главное вращательное движение шпинделю. Обеспечивает регулирование частоты вращения в диапазоне от 125 до 1250 об./мин (6 ступеней скоростей).
• Шпиндель и оправка: Оправка служит для установки и закрепления фрезы (фреза фиксируется между насадными кольцами с помощью гайки). Один конец оправки имеет конический хвостовик, который вставляется в конусное отверстие шпинделя и затягивается специальным винтом — шомполом с противоположной стороны. Второй конец оправки опирается на подшипник серьги.
• Хобот с серьгой: Хобот перемещается по верхним направляющим станины вручную и фиксируется. Серьга перемещается по направляющим хобота и служит для поддержки переднего конца оправки, обеспечивая жёсткость всей конструкции.
• Консоль: Базовый узел механизма подач, служащий опорой для стола. Содержит механизмы, обеспечивающие перемещение стола в трех направлениях: вертикальном, поперечном и продольном.
• Стол с салазками: Предназначен для установки и надёжной фиксации заготовок (непосредственно или в машинных тисках).

Технические характеристики станка НГФ-110Ш4:

Параметр · Значение

• Размеры рабочей поверхности стола (длина × ширина) — 400 × 100 мм
• Максимальное продольное перемещение стола — 250 мм
• Максимальное поперечное перемещение стола — 85 мм
• Максимальное вертикальное перемещение стола — 170 мм
• Тип подачи стола — Ручная
• Перемещение на 1 деление лимба (продольное / поперечное) — 0,05 мм
• Перемещение на 1 деление лимба (вертикальное) — 0,25 мм
• Перемещение за 1 оборот лимба (продольное / поперечное) — 4 мм
• Перемещение за 1 оборот лимба (вертикальное) — 2 мм
• Расстояние от оси шпинделя до стола — 30–200 мм
• Число ступеней частоты вращения шпинделя — 6
• Диапазон частот вращения шпинделя — 125–1250 об./мин
• Наибольший диаметр фрезы — 110 мм
• Мощность электродвигателя — 0,55–0,75 кВт
• Габаритные размеры (Д × Ш × В) — 685 × 640 × 925 мм
• Масса станка — 240 кг

1.4. Приспособления для закрепления заготовок

Закрепление заготовок на столе фрезерного станка осуществляется с помощью крепёжных болтов и следующих приспособлений:

1. Прихваты с подставками (включая ступенчатые подставки).
2. Универсальные прихваты.
3. Корытообразные прихваты (применяются без подставок).
4. Машинные тиски (в том числе поворотные и с применением специальных съёмочных губок для деталей сложной формы).

1.5. Автоматизация фрезерной обработки и станки с ЧПУ

Современное промышленное производство оснащается высокоавтоматизированными станками с числовым программным управлением (ЧПУ):

• Горизонтальные и вертикальные фрезерные станки с ЧПУ: Относятся к классу универсального оборудования. На них можно устанавливать дисковые фрезы на оправке или дополнительную вертикальную фрезерную головку для расширения технологических возможностей.
• Фрезерно-гравировальные станки (например, RJ 6090): Оснащаются мощным шпинделем и применяются для резки, сверления, фрезерования, гравировки и шлифовки широкого спектра материалов (медь, алюминий, древесина, пластик и др.).
• Принцип работы: Станки с ЧПУ в автоматическом режиме выполняют последовательность технологических операций по заданной программе. Их обслуживание осуществляют специалисты — операторы станков с числовым программным управлением.

2. Проверочный тест (краткий опрос)

Вопросы

1. Что означает буква «Ш» и число «110» в названии станка НГФ-110Ш4?
2. Какие два движения совершаются при фрезеровании и к чему они относятся (инструмент/заготовка)?
3. Назовите 4 основных элемента зуба фрезы.
4. С помощью какого детального элемента (винта) оправка затягивается и фиксируется в конусном отверстии шпинделя?
5. Какова функция хобота и серьги в горизонтально-фрезерном станке?
6. Какое перемещение стола станка НГФ-110Ш4 происходит за один полный оборот лимба при продольной подаче, а какое — при вертикальной?
7. Перечислите материалы, из которых изготавливаются фрезы.
8. Для обработки каких материалов предназначен фрезерно-гравировальный станок RJ 6090?

Ответы к проверочному тесту

1. «Ш» означает широкоуниверсальный, «110» указывает на наибольший диаметр применяемых на станке фрез (в миллиметрах).
2. Режущий инструмент (фреза) совершает вращательное движение (главное движение), а обрабатываемая заготовка — поступательное движение (движение подачи).
3. Передняя поверхность, канавка, задняя поверхность, режущая кромка.
4. Оправка фиксируется с противоположной стороны шпинделя с помощью специального затяжного винта — шомпола.
5. Хобот и серьга служат для поддержки переднего конца оправки, обеспечивая необходимое базирование и жёсткость её установки с фрезой при резании.
6. При продольной подаче — 4 мм; при вертикальной подаче — 2 мм.
7. Инструментальные стали, быстрорежущие стали, металлокерамические твёрдые сплавы.
8. Для металлов (медь, алюминий), древесины, пластика и других материалов.

3. Темы для эссе и развёрнутых ответов

1. «Физико-механические особенности фрезерования в сравнении с точением и сверлением»
   Рекомендации к раскрытию: Проанализируйте прерывистый (периодический) характер работы зубьев фрезы. Объясните, как периодический контакт режущей кромки с обрабатываемым материалом и время её охлаждения влияют на стойкость инструмента, тепловыделение в зоне резания и общую производительность обработки.
2. «Конструктивная взаимосвязь узлов станка НГФ-110Ш4 и точность геометрической обработки деталей»
   Рекомендации к раскрытию: Опишите путь передачи движения от электродвигателя к шпинделю и столу. Рассмотрите роль основания, станины, консоли, оправки и серьги в обеспечении жёсткости системы. Проанализируйте значение цены деления лимба (0,05 мм и 0,25 мм) для точности получения заданных размеров деталей.
3. «Переход от ручной механической обработки к фрезерным комплексам с ЧПУ»
   Рекомендации к раскрытию: На основе сравнения ручных станков (типа НГФ-110Ш4) и автоматизированных комплексов (горизонтальных/вертикальных станков с ЧПУ, фрезерно-гравировального станка RJ 6090) опишите преимущества автоматизации. Какова роль оператора станков с ЧПУ в современном производстве?

4. Глоссарий терминов

• Быстрорежущая сталь — легированная инструментальная сталь, используемая для изготовления режущего инструмента (в том числе фрез), обладающая высокой твёрдостью и теплостойкостью.
• Затяжной винт (шомпол) — резьбовой стержень, предназначенный для затягивания и надёжной фиксации конического хвостовика оправки в конусном гнезде шпинделя станка.
• Консоль — базовый кронштейн фрезерного станка, перемещающийся по вертикальным направляющим станины и служащий опорой для салазок и стола.
• Лимб — градуированное кольцо (шкала), установленное на винтах подачи стола, позволяющее отсчитывать величину перемещения стола в миллиметрах или долях миллиметра.
• Оправка — вал специальной формы, устанавливаемый одним концом в шпиндель станка, на котором с помощью насадных колец и гайки закрепляются фрезы.
• Прихваты — зажимные приспособления в виде планок различной формы (простые, универсальные, корытообразные), применяемые для крепления заготовок непосредственно на рабочем столе станка с помощью болтов.
• Серьга — съёмный поддерживающий кронштейн, перемещающийся по хоботу станка и содержащий подшипник для опоры второго (свободного) конца оправки.
• Фальцевое соединение — вид краевого соединения тонколистового металла, применяемый при изготовлении кровли, водостоков и бытовых изделий.
• Фреза — многолезвийный вращающийся режущий инструмент, снабженный зубьями, каждый из которых работает как отдельный резец.
• Фрезерование металлов — процесс механической обработки материалов резанием, при котором вращающаяся фреза снимает слой металла с поступательно перемещающейся заготовки.
• Хобот — верхняя выдвижная часть горизонтально-фрезерного станка, предназначенная для установки серьги и регулирования расстояния между ней и станиной.
• Числовое программное управление (ЧПУ) — автоматизированная система управления технологическим оборудованием, при которой исполнительные органы станка управляются управляющей программой без непосредственного ручного воздействия оператора.
• Шпиндель — основной вращающийся вал фрезерного станка с конусным отверстием внутри, передающий вращение оправке с фрезой от коробки скоростей.