Режимы резания при фрезеровании: скорость, обороты, подача на зуб и толщина стружки

Из чего состоит режим резания

ГОСТ 25762-83 (действует) называет режимом резания совокупность значений скорости резания, подачи или скорости движения подачи и глубины резания. Для фрезерования к ним добавляют ширину фрезерования — без неё не посчитать толщину стружки и съём.

В статье — обозначения каталогов: по ним выдают рекомендации производители инструмента, и их же использует калькулятор режимов резания.

Скорость резания и обороты

Скорость резания — скорость точки режущей кромки относительно заготовки. Её выбирают по материалу заготовки и инструмента, а станку задают обороты:

Sandvik Coromant считает обороты по эффективному диаметру Dcap — диаметру, на котором кромка реально режет при данной глубине ap. Для фрезы с прямой кромкой и углом в плане 90° Dcap равен диаметру фрезы. Для сферической фрезы, круглых пластин и углов в плане меньше 90° Dcap зависит от глубины. Для сферической фрезы диаметром D:

Фреза Ø10 на глубине 0,5 мм режет на диаметре √(100 − 81) ≈ 4,36 мм. Если обороты посчитали по 10 мм для vc = 200 м/мин (6366 об/мин), фактическая скорость резания — π · 4,36 · 6366 / 1000 ≈ 87 м/мин. Чтобы получить 200 м/мин на Dcap, нужно около 14 600 об/мин — такой запас есть не у каждого шпинделя.

Подача на зуб и толщина стружки

Подача на зуб fz — перемещение фрезы за поворот на один зуб. Но работу кромки определяет не она, а толщина стружки. Sandvik Coromant называет наибольшую толщину стружки hex самым важным параметром фрезерования: при слишком малой hex падают производительность и стойкость, при слишком большой кромка перегружена и может сломаться. Поэтому каталоги дают диапазон hex, а fz пересчитывают из него.

fz равна hex, только когда угол в плане 90° и ширина фрезерования не меньше половины диаметра. В остальных случаях стружка тоньше подачи — это утонение стружки.

Поправка на ширину фрезерования

При ae меньше D/2 зуб выходит из металла раньше, чем стружка достигает толщины fz. Sandvik Coromant для фрезы с прямой кромкой даёт формулу:

Таблица поправок Sandvik Coromant для угла в плане 90°:

Как меняется угол контакта и почему узкие проходы с большой глубиной дают стабильную нагрузку на зуб, разобрано в статье «Трохоидальное и высокоскоростное фрезерование».

Поправка на угол в плане

У торцевых фрез с углом в плане κr меньше 90° стружка растягивается вдоль кромки и становится тоньше. При ae не меньше D/2 по Sandvik Coromant fz = hex / sin κr:

Отсюда большие подачи фрез с малым углом в плане. У круглых пластин угол в плане зависит от глубины: Sandvik Coromant советует работать ими при ap не больше 25 % диаметра пластины, а глубже брать фрезу с углом 45°.

Минутная подача, съём, мощность и момент

Удельная сила резания kc — характеристика материала: Sandvik Coromant приводит её значение kc1 для каждой подгруппы материала при толщине стружки 1 мм и переднем угле 0°. При более тонкой стружке kc растёт, при положительном переднем угле — падает. Поэтому для расчёта мощности берут kc производителя для фактической средней толщины стружки, а не kc1 напрямую. Полученные мощность и момент сравнивают с характеристиками шпинделя по паспорту станка.

Пример расчёта для концевой фрезы

Боковое фрезерование стенки фрезой Ø10 с четырьмя зубьями, ap = 10 мм, ae = 2 мм (20 % диаметра). Стартовые данные условные, как их мог бы дать каталог: vc = 180 м/мин, hex = 0,05 мм.

1. Обороты: n = 1000 · 180 / (π · 10) ≈ 5730 об/мин.
2. Подача на зуб: ae < D/2, нужна поправка. fz = 0,05 · 10 / (2 · √(10 · 2 − 2²)) = 0,5 / (2 · 4) = 0,0625 мм — в 1,25 раза больше hex, как в таблице.
3. Минутная подача: vf = 0,0625 · 4 · 5730 ≈ 1433 мм/мин.
4. Съём: Q = 10 · 2 · 1433 / 1000 ≈ 28,7 см³/мин.

Без поправки, с fz = hex = 0,05 мм, подача была бы 0,05 · 4 · 5730 = 1146 мм/мин, а стружка — 0,04 мм: кромка работала бы с толщиной ниже рекомендованной, а проход шёл бы на 20 % медленнее. Пример можно открыть в калькуляторе — он считает ту же поправку.

Попутное или встречное фрезерование

По ГОСТ 25761-83 при попутном фрезеровании вектор скорости резания и вектор подачи заготовки в точке контакта направлены в одну сторону, при встречном — в противоположные. От выбора зависит, как зуб входит в металл.

• Попутное: зуб входит с толстой стружкой и выходит с тонкой, не трётся о поверхность на входе. Sandvik Coromant называет его предпочтительным везде, где позволяют станок, оснастка и деталь. Силы затягивают заготовку к фрезе — приспособление должно держать это усилие.
• Встречное: стружка нарастает от нуля, кромка трётся и греется на входе. Силы отрывают заготовку от стола — приспособление должно держать подъём.

Встречное фрезерование оставляют для случаев, где попутное опасно: люфт в приводе подачи (фреза затягивает заготовку и увеличивает подачу), большие колебания припуска, керамические пластины на жаропрочных сплавах. Подробнее о выборе — в статье «Виды фрез и как выбрать».

Где ошибаются

• Подача без поправки на ae. Если в программу поставить fz, равную рекомендованной hex, на проходе по стенке с малой ae стружка будет тоньше рекомендованной: кромка трётся и быстрее изнашивается.
• Обороты по номиналу сферической фрезы. На малой глубине фактическая скорость в разы ниже заданной, а у самой вершины близка к нулю.
• Режим «как в прошлый раз» для другого материала. Стартовые данные зависят от группы материала ISO (P — стали, M — нержавеющие, K — чугуны, N — цветные, S — жаропрочные и титан, H — закалённые) и сплава инструмента. Особенности групп — в статьях о фрезеровании алюминия и нержавейки и титана.
• Нагрузку снижают подачей. Если станку не хватает мощности или детали жёсткости, уменьшают ap или ae. Подача ниже рекомендованной hex переводит кромку в трение.