Выбор и правила эксплуатации спиральных твердосплавных монолитных фрез
Сегодня в России значительно вырос парк обрабатывающих центров с ЧПУ (CNC) разных конфигураций, размеров и установленной мощности – от больших 3–5-координатных портальных центров для обработки, например, клееных деревянных конструкций (КДК) длиной несколько десятков метров до крошечных станков с площадью рабочего стола не более одного квадратного метра.
Рис. 1. Спиральные фрезы
Кроме того, большое распространение получили ручные фрезерные станки (фрезеры), предназначенные для столярной обработки заготовок по периметру, копирования заготовок по шаблону и прочего с использованием разных фрез, в том числе и спиральных твердосплавных монолитных (рис. 1).
Фрезы для станков с ЧПУ могут быть как концевыми, так и насадными, у концевых, как правило, цилиндрический или (реже) конический хвостовик, а у насадных обязательно есть посадочное отверстие в центре. Насадной инструмент, установленный на специальную концевую оправку, также может относиться к концевому, но подобные фрезы редко используются для тех операций обработки заготовок, о которых речь пойдет дальше, поэтому в этой статье не рассматриваются.
Спиральные (и не только) концевые фрезы производят из монолитного шлифованного прутка твердого сплава или быстрорежущей стали. Наиболее перспективные – фрезы, полученные из монолитного твердосплавного прутка методом объемного шлифования. Достоинства: высочайшая точность изготовления, гарантируемая жесткость, стойкость режущего инструмента при обработке плитных материалов и материалов повышенной твердости. Почти весь серийный инструмент в мире производят по этой технологии. Фрезы, изготовленные из быстрорежущей стали, применяют в основном для обработки деталей и материалов из мягколиственных пород древесины и выборки сверхглубоких пазов в древесине, которые невозможно получить при использовании твердосплавного инструмента из-за его хрупкости.
По числу режущих кромок инструмент может быть одно-, двух-, трех- или четырехзаходным. Например, если у двухзаходной фрезы две режущие кромки, то за один оборот у нее подача на зуб (Uz), которая существенно влияет на качество получаемой поверхности, в два раза меньше, чем у однозаходной фрезы. Поэтому теоретически двухзаходная фреза должна обрабатывать поверхность чище при той же подаче, что и у однозаходной, или может работать на подаче в два раза более высокой, обеспечивая такую же чистоту обработки, что и однозаходная.
Есть, правда, одно но. Стружка должна удаляться из зоны резания, а с увеличением числа режущих элементов (лезвий) уменьшаются размеры канавок для вывода стружки на теле фрезы. Если стружка не успеет покинуть зону резания, фреза обязательно сломается. Поэтому на фрез небольшого диаметра (3–4 мм) и лезвий обычно немного, так как их излишнее число отрицательно сказывается на прочности фрезы. Спиральные фрезы для деревообработки отличаются от металлообрабатывающих в том числе углами резания и углом подъема винтовой линии (спирали), а также, например, покрытием.
Спиральные фрезы используются:
• при необходимости значительного съема материала, создания паза большой глубины и при повышенной скорости обработки;
• при обработке деталей из твердых и мягких пород древесины, плитных материалов (mdf, hdf, дстп, osb, фанеры), в том числе по технологии «нестинг» на большой скорости с целью получения высокого качества фрезерованной поверхности;
• для снижения нагрузки на шпиндель в случае его незначительной установленной мощности и работе на повышенной скорости подачи с сохранением качества обработанной поверхности;
• для повышения производительности оборудования;
• при выполнении работ форматирования, контурной обработке плитных материалов для последующего нанесения на них облицовочных материалов, 3d-моделировании и гравировке, выборке пазов, канавок, а также при фрезерных работах на облицованных изделиях.
Чем руководствоваться при выборе фрезы?
Выбор фрезы зависит от множества факторов: параметров оборудования и обрабатываемого материала, режимов резания, требуемого качества получаемой поверхности, производительности техпроцесса, профиля фрезы, марки сплава, из которого изготовлена фреза и др. Как добиться высокого качества обработки изделий, правильно подобрать из обширного ассортимента фрез инструмент, необходимый для решения ваших задач, приобрести надежный инструмент с максимальной стойкостью по соотношению «цена – качество» у проверенного производителя? Совет: не бойтесь экспериментировать с параметрами фрез, выбирайте инструмент оптимально отвечающий по конструкции и материалу изготовления, и вашим интересам, исходя из того, что для вас важнее – производительность, качество продукции или то и другое одновременно. Помните, что универсальность – враг лучшего.
Рис. 2. Фреза черновая
Рис. 3. Фреза чистовая
Прежде всего необходимо обратить внимание на марку сплава, из которого изготовлена фреза, – он должен соответствовать требованиям режимов обработки материалов, из которых сделана заготовка. Например, есть инструменты изготовленные из так называемых универсальных сплавов, которыми можно довольно качественно обрабатывать заготовки и детали как из массивной и клееной древесины, так и из плитных материалов (ДСП, плит MDF или HDF). Если вы планируете обрабатывать заготовки из разных материалов с максимальной скоростью подачи, надо выбирать другой инструмент. Помните, что твердые сплавы, в том числе самые твердые и износостойкие, а также и наиболее хрупкие предназначены в основном для обработки твердых и абразивных материалов, таких как плиты MDF, а для обработки мягких материалов целесообразно использовать фрезы, изготовленные из крупнозернистых твердых сплавов. Возможно, следует разбить операцию фрезерования на два этапа и обрабатывать деталь за два прохода, сначала черновой (рис. 2), а потом чистовой фрезой (рис. 3). А можно эту операцию выполнить комбинированной фрезой (рис. 4), что не потребует переустановки на шпинделе, или чистовой фрезой со стружколомом (рис. 5), обеспечив как производительность, так и качество поверхности. Следует отметить, что применение чистовых фрез со стружколомом по сравнению с обычными чистовыми фрезами позволяет повысить скорость подачи на 50%, особенно при обработке деталей, изготовленных с использованием технологии нестинга.
Рис. 4. Фреза спиральная комбинированная с покрытием Ti
Рис. 5. Фреза чистовая со стружколомом
Черновые фрезы в силу большой длины режущей кромки (из-за специфического профиля лезвия) позволяют снимать большой объем материала при обработке на значительной скорости подачи. При втором проходе чистовой фрезы снимается, как правило, небольшой припуск материала, остающийся после обработки детали черновой фрезой, инструмент эксплуатируется в щадящем режиме, что дает возможность работы на значительной скорости подачи с высоким качеством финишной обработки и обеспечивает увеличение срока службы фрезы. Когда не требуется идеального качества поверхности заготовки, обработанной черновой фрезой, например, перед облицовыванием шпоном или выемкой пазов для установки фурнитуры (при выпуске окон и дверей), чистовое фрезерование не выполняют.
Рис. 6. Интегральная фреза
Спиральные фрезы могут быть левого или правого вращения, а также с положительным (позитивным) или отрицательным (негативным) направлением спирали, а также направлением отвода стружки вверх или вниз. Выбор этих фрез актуален при обработке односторонне облицованных плит для того, чтобы минимизировать дефекты на лицевой поверхности плит. При обработке плит, облицованных с двух сторон, как правило, используют так называемые интегральные фрезы (рис. 6). Все вышесказанное следует учитывать при заказе фрез.
Рис. 7. Коническая спиральная фреза с покрытием
Так, фрезу с положительным направлением спирали с отводом вверх выбирают исключительно для надежно зафиксированных заготовок, когда плита подается на рабочий стол лицевой (облицованной) поверхностью вниз. Инструмент с отрицательным направлением спирали с отводом стружки вниз применяют для обработки небольших, плохо зафиксированных заготовок, когда та находится на рабочем столе облицованной поверхностью вверх. В этом случае одна из составляющих усилий резания, направленная вниз к столу обрабатывающего центра, будет способствовать надежному прижиму плиты к столу центра и минимизировать риски ее смещения в процессе резания.
Необходимо помнить, что при входе в материал фрезы с отрицательной спиралью (с отводом стружки вниз) следует заходить постепенно при перемещении фрезы одновременно по двум координатам и линейной подаче или по трем координатам при подаче по спирали, иначе нагрузка на фрезу приведет к ее поломке. Для работы на центрах с ЧПУ по 3D-моделированию и гравировке используют в основном конические фрезы и граверы (рис. 7 и 8).
Рекомендуемая скорость подачи при работе со спиральными фрезами
Минимальную и среднюю скорость подачи для спиральных фрез можно рассчитать по формуле:
u = knz, (1)
где: k – коэффициент стружкообразования (выбрать из данных, приведенных в таблице 1); n – частота вращения шпинделя, об./мин; z – число режущих элементов (спиралей) на фрезе, шт.
Скорость резания определяется по формуле, м/с:
V = (π x d x n)/(60×1000), (2)
где d – диаметр фрезы, мм; n – частота вращения фрезы, об./мин; 60 и 1000 – переводные коэффициенты.
Таблица 2. Рекомендуемая скорость подачи при обработке разных материалов в зависимости от числа режущих элементов
Частота вращения шпинделей ручных фрезеров и станков с ЧПУ, как правило, 6000–24 000 об./мин. Средняя скорость резания для основных материалов в деревообработке, в зависимости от применяемого оборудования и диаметра фрез (3–30 мм), а также от вида обрабатываемого материала может быть в диапазоне 3–40 м/с (для обработки заготовок из мягких пород древесины скорость подачи выше, из твердых пород – ниже).
Общее правило для установки скорости резания при обработке древесных материалов: обработка фрезами с небольшим диаметром ведется на высокой скорости резания. Для фрезы большого диаметра выбирают низкие скорость резания и частоту вращения шпинделя. Скорость подачи для однолезвийного инструмента должна быть 5–6 м/мин (например, при работе с двухзаходной фрезой она может быть 10–12 м/мин). Однако эти цифры могут корректироваться в зависимости от разных факторов (состояния инструмента, оборудования, мощности привода шпинделя и т. п.). Если фреза «горит», возможно, обработка идет на низкой скорости подачи и/или затуплена режущая кромка. Если фрезы «свистят», необходимо снизить скорость резания и подачи, своевременно затачивать или заменить режущий инструмент.
Еще немного информации о конструктивных особенностях спиральных фрез для обработки разных материалов.
Однозаходные фрезы с удалением стружки вверх предназначены для обработки на станках с ЧПУ. В зависимости от угла заострения лезвия однозаходный инструмент может применяться для обработки древесины и древесных материалов и т. п.
Двухзаходные фрезы с удалением стружки вверх предназначены для станков с ЧПУ. Их диаметр от 3 до 20 мм и больше. Несмотря на то что они обычно предназначены для древесных материалов, многие производители выпускают инструмент с двумя режущими кромками.
Трех- и четырехзаходные фрезы с удалением стружки вверх широко применяются для обработки древесных материалов, так как по сравнению с однозаходными позволяют повысить скорость подачи в 3–4 раза при одинаковых условиях; это касается как черновых, так и чистовых фрез. При скоростном раскрое фанеры, ламината, черновом фрезеровании плит MDF эти фрезы незаменимы. Чистота поверхности при обработке такими черновыми фрезами весьма высокая, и нередко ее бывает достаточно для выполнения поставленной задачи. Период стойкости фрез со стружколомом несоизмеримо выше, чем инструмента с «чистовой» геометрей. Так, использование чистовых фрез со стружколомом для скоростной или предварительной (черновой) обработки древесины и плитных материалов позволяет получить приемлемое качество фрезеруемой поверхности при высокой скорости обработки. Фрезы с заниженным хвостовиком или заниженной чистовой частью комбинированных фрез (рис. 4) используются при фрезеровке глубоких пазов (открытых и закрытых). Поскольку диаметр хвостовика меньше диаметра рабочей части фрезы, хвостовик не задевает заготовку и не трется об нее.
У спиральных твердосплавных монолитных фрез есть ограничение по длине рабочей части относительно диаметра, что связано с большой хрупкостью твердого сплава: чем больше диаметр фрезы и меньше число режущих элементов, тем больше эта длина (но она не должна превышать шести диаметров), а у инструмента (особенно у фрез, работающих в закрытых пазах) длина рабочей части не должна превышать четырех диаметров фрезы).
Владимир ПАДЕРИН
