Фрезерование пазов и карманов: стратегии, радиусы углов, выход стружки

Паз, карман и чем их обрабатывают

Паз — выемка с двумя параллельными стенками: открытый (выходит на край детали) или закрытый (с обоих концов стенки). Карман — закрытая выемка произвольного контура, шире фрезы. Sandvik Coromant отмечает, что закрытые пазы — прямые, криволинейные, под углом — и карманы шире фрезы можно обработать только концевой фрезой.

Для открытых длинных и глубоких пазов у концевой фрезы есть конкурент — дисковая фреза. По сравнению Sandvik Coromant, дисковые фрезы выигрывают на глубоких пазах и больших объёмах, а концевые чувствительны к силам резания: отжим и вибрации ограничивают их, особенно на длинном вылете. Какие бывают фрезы и как выбрать тип, — в статье «Виды фрез и как выбрать».

Паз фрезой по ширине или контуром

Полный паз, D = b. Фреза в контакте на половине окружности. По определению попутного и встречного фрезерования одна стенка паза обрабатывается попутно, другая встречно: у стенок разное качество поверхности, а сила отжимает фрезу в сторону. Стружке некуда уходить, кроме как вверх по канавкам. Ширина паза равна фактическому диаметру фрезы плюс её биение и отжим — программа на неё не влияет.

Фреза меньше паза. Сначала выбирают середину — прямым проходом, трохоидой или адаптивной траекторией, затем каждую стенку доводят отдельным попутным проходом с небольшой шириной резания. Ширину задают программой и коррекцией на радиус инструмента: износ или отжим компенсируют правкой коррекции, а не заменой фрезы.

Sandvik Coromant для концевых фрез рекомендует работать попутно как можно чаще, а при подаче на зуб следить за толщиной стружки: слишком тонкая стружка даёт вибрации, плохую поверхность и заусенцы. При малой ширине резания на чистовом проходе подачу пересчитывают из-за утонения стружки — формулы в статье «Трохоидальное и высокоскоростное фрезерование».

Шпоночный паз по ГОСТ 23360-78

ГОСТ 23360-78 действует. Он задаёт размеры призматических шпонок и сечений пазов на валах и во втулках с предельными отклонениями (п. 1). Сечения пазов — в таблице 2. Пример строки для вала диаметром свыше 22 до 30 мм:

Что из этого важно технологу:

• Поле N9 для паза 8 мм — 36 мкм, целиком ниже номинала. Концевая фреза «ровно 8» с биением даст паз шире номинала — это уже брак. Под паз по ширине берут фрезу с диаметром в нужном поле или обрабатывают паз фрезой меньше с доводкой стенок по контуру.
• Радиус на дне 0,16–0,25 мм — это радиус при вершине фрезы. Острая фреза даёт концентратор в углу, фреза с большим радиусом не даст шпонке сесть на дно.
• Глубину на чертеже стандарт требует проставлять одним размером: для вала — t1 (предпочтительно) или d − t1, для втулки — d + t2 (примечание к черт. 2).
• Материал шпонки — чистотянутая сталь по ГОСТ 8787-68 или другая с временным сопротивлением не менее 590 МПа (п. 4).

Для пазов других диаметров значения берите из таблицы 2 стандарта, а не по аналогии.

Врезание в закрытый паз и карман

Прямое врезание вдоль оси возможно только фрезой с режущей кромкой через центр, и даже для неё это тяжёлый режим: стружка выходит плохо, торцевые кромки работают на нулевой скорости у оси. Поэтому в металле обычно выбирают один из трёх способов.

Рекомендации Sandvik Coromant:

• Спираль предпочтительнее линейной рампы: процесс плавнее, радиальная нагрузка меньше, фреза работает чисто попутно и стружка выходит лучше.
• Линейную рампу стоит ограничить узкими пазами шириной меньше 30 мм, куда спираль не помещается, а подачу при рампе снижать до 75 % от обычной.
• Наибольший угол рампы зависит от фрезы — у фрез со сменными пластинами, например, от радиуса пластины. Берите его из каталога конкретной серии.
• Для фрез без кромки через центр диаметр окружности подбирают так, чтобы пластина перекрывала центр; у фрез со сменными пластинами наибольшее отверстие за одну непрерывную спираль — 2·D3.

Радиус внутреннего угла и выбор фрезы

Фреза круглая, поэтому внутренний угол кармана всегда получается с радиусом не меньше радиуса фрезы. Правило для чистового прохода — D ≤ 1,5 · R — разобрано в статье «Как заказать фрезерную и токарную обработку». Здесь — почему оно работает.

При входе в угол дуга контакта фрезы с материалом резко растёт. Sandvik Coromant описывает, что процесс становится неустойчивым: вибрации, подрез угла, выкрашивание кромок, вплоть до поломки. Худший случай — радиус угла, равный радиусу фрезы: фреза в углу охвачена металлом больше чем наполовину.

Отсюда порядок: черновую выборку ведут фрезой побольше, которая в угол не заходит, а угол дорабатывают отдельной фрезой меньшего диаметра по дуге. Для детали с радиусом угла 6 мм, например, чистовая фреза — не больше 1,5 · 6 = 9 мм, то есть стандартная 8 мм.

Глубина, вылет и отвод стружки

Глубина. Sandvik Coromant советует при полном пазе уменьшать глубину резания примерно до 70 % длины режущей кромки и учитывать жёсткость станка и отвод стружки. Harvey Performance приводит пример: фрезу диаметром ½″ в обычном пазу можно опустить на глубину 2·D, но с фрезами меньше ⅛″ так не получится — там нужны малые проходы по глубине.

Вылет. Концевая фреза чувствительна к силам резания, и на длинном вылете её ограничивают отжим и вибрации (Sandvik Coromant). Глубокий карман требует длинной фрезы — а если радиус угла ещё и мал, то длинной и тонкой. Это самая медленная и рискованная комбинация.

Трохоида. Для глубоких пазов и тесных карманов выгоднее трохоидальная траектория: фреза меньше паза, малая ширина резания, большая глубина. Параметры по Sandvik Coromant — в статье «Трохоидальное и высокоскоростное фрезерование».

Число зубьев. Для паза по Harvey Performance берут как можно меньше зубьев, чтобы стружке было куда уходить: в алюминии и цветных металлах — обычно не больше двух-трёх, в стали — четыре. Исключение — фрезы малого диаметра, где важнее жёсткость сердцевины.

Стружка и СОЖ. Sandvik Coromant требует выводить стружку из паза и рекомендует сжатый воздух, чтобы она не забивала паз. В глубоком кармане стружку лучше вымывать обильной подачей СОЖ или через шпиндель. Как выбрать и обслуживать СОЖ — в статье «СОЖ: выбор и обслуживание».

Режимы. Скорость резания и подачу на зуб берите из каталога производителя фрезы для вашего материала и способа (полный паз, контур, рампа), обороты и минутную подачу — в калькуляторе режимов резания.

Что указать на чертеже

• Радиусы внутренних углов — наибольшие из допустимых. Если нужен именно малый радиус, указывайте его как наибольший допустимый, а не точный.
• Острый угол фрезой не получить. Если в угол входит ответная деталь с острой кромкой, предусмотрите поднутрение в углу или согласуйте с цехом электроэрозионную обработку.
• Радиус на дне — между стенкой и дном. Острый угол на дне требует фрезы без радиуса при вершине, она быстрее изнашивается. Для шпоночных пазов — по таблице 2 ГОСТ 23360-78.
• Сквозной или глухой. Для глухого паза — глубина от конкретной базы и форма конца паза: полукруг радиусом фрезы или прямой торец, который потребует доработки.
• Допуск ширины — только там, где паз работает в посадке. Для шпоночного паза — поле по ГОСТ 23360-78 для выбранного соединения.
• Глубина к ширине. Узкий и глубокий паз или карман означает длинную тонкую фрезу. Если конструкция позволяет, расширьте паз или уменьшите глубину.

Как такие решения влияют на цену детали и число установов, — в статье «Как заказать фрезерную и токарную обработку».