Przedmiot: Inżynieria materiałowa i jakość materiałów.

Temat: FREZOWANIE

FREZOWANIE

CHARAKTERYSTYKA PROCESÓW FREZOWANIA.

Frezowaniem nazywany jest sposób obróbki skrawaniem, realizowany przy zastosowaniu narzędzi wieloostrzowych należących do grupy frezów.

Frezy są to narzędzia w kształcie brył obrotowych, na których obwodzie znajdują się ostrza skrawające. Pierwsze narzędzia tego typu pojawiły się we Francji przy końca XVIII wieku. Ostrza tych narzędzi były wykonywane nacinakiem przez co ich geometria zbliżona była do geometrii ostrzy obecnie stosowanych pilników. Dopiero po upływie pewnego czasu pojawiły się frezy z mniejszą liczbą jednakowo ukształtowanych ostrzy o określonych parametrach geometrycznych i z przewidzianą przestrzenią na pomieszczenie wióra powstającego podczas skrawania. Proces frezowania jest procesem skrawania przerywanego, bowiem każde kolejne ostrze freza wykonuje pracę usuwania materiału warstwy skrawanej tylko co pewien określony czas odpowiadający jednemu obrotowi narzędzia. Stąd wynikają pewne dodatnie jak i ujemne cechy procesu frezowania.

Do cech dodatnich procesu frezowania należy stosunkowo krótki, łączny czas pracy każdego ostrza przypadający na czas pracy całego narzędzia w ramach jednego przejścia. W przerwach między kolejnymi okresami skrawania materiału przez rozpatrywane ostrze następuje częściowy odpływ ciepła od ostrza do korpusu narzędzia co przyczynia się do zmniejszenia średniej temperatury ostrza. W porównaniu z innymi narzędziami, których ostrza pracują w sposób ciągły (bez przerwy) i w których występuje stała koncentracja ciepła w pobliżu krawędzi skrawającej, ostrza freza wykazują z powyższych względów, tendencję do zachowania zwiększonej trwałości okresowej.

Przeciwne tendencje, tzn. do skrócenia okresowej trwałości ostrza, wynikają w procesie frezowania z dynamicznego obciążenia ostrza zarówno mechanicznego jak i ciepłego. Okresowo zmienne obciążenie ostrzy freza siłami skrawania wywołuje w ich materiale zmienne naprężenia graniczące z pojęciem cyklicznie powtarzających się uderzeń, które przyczyniają się do zmniejszenia wytrzymałościowej trwałości ostrza a jednocześnie trwałości okresowej. Ponadto często pojawiające się zmiany temperatury ostrza przyczyniają się do zmęczenia cieplnego jego materiału, co w przypadku materiałów narzędziowych o małym przewodnictwie cieplnym, jakimi są na przykład węgliki spiekane, wywiera niekorzystny wpływ na okresową trwałość ostrza. Przewaga dodatnich lub ujemnych cech procesu frezowania z punktu widzenia charakteru pracy ostrza zależy od warunków technologicznych zabiegu obróbkowego. w zależności od przyjętego kryterium proces frezowania można podzielić na odmiany: technologiczne, konstrukcyjne, kinematyczne i jakościowe. Pod względem technologicznym frezowanie dzieli się na walcowe (obwodowe), czołowe i skośne.

Frezowaniem walcowym nazywane jest takie frezowanie, przy którym oś obrotu freza zajmuje położenie równoległe do powierzchni obrabianej, natomiast frezowaniem czołowym – takie, przy którym oś obrotu freza zajmuje położenie prostopadłe do powierzchni obrabianej.

Frezowanie czołowe odznacza się szeregiem zalet w porównaniu z frezowaniem walcowym. Do zalet tych należą przede wszystkim większa wydajność obróbki, spokojniejsza praca obrabiarki większa dokładność wymiarowa i większa gładkość powierzchni obrobionej. Względy te spowodowały, że obecnie przy obróbce płaszczyzn coraz częściej frezowanie walcowe zastępuje się frezowaniem czołowym.

Frezowaniem skośnym nazywane jest taki frezowanie, przy którym oś obrotu freza tworzy z powierzchnią obrabianą kąt różny od 0⁰ i do 90⁰. Frezowanie takie występuje we wszystkich przypadkach stosowania frezów kątowych. Pod względem konstrukcyjnym frezowanie dzieli się na: frezowanie pełne, frezowanie niepełne oraz frezowanie swobodne.

Frezowanie skośne może być tylko nie pełne lub swobodne. Pełne frezowanie skośne jest utrudnione, gdyż frezy kątowe mają ostrza tylko na dwóch powierzchniach, tzn. na obu powierzchniach stożkowych lub na jednej powierzchni stożkowej lub jednej powierzchni czołowej. Frezy te nie mogą, więc obrabiać jednocześnie trzech powierzchni.

Frezy przeznaczone do frezowanie pełnego, zarówno walcowego jak i czołowego tworzą wyodrębnioną podgrupę frezów „wymiarowych”. Nazwa ich pochodzi stąd, że określony części roboczej freza bezpośrednio odtwarzany jest w przedmiocie obrabianym tzn. wymiar obróbkowy jest nominalnie równy wymiarowi części freza. Należą do nich przede wszystkim frezy tarczowe i trzpieniowe wolcowo-czołowe.

Pojęcie frezowania symetrycznego i niesymetrycznego może być odniesione tylko do frezowanie swobodnego i niepełnego. Frezowanie swobodne może być symetryczne, gdy frez swoja długością lub średnicą ustawiony jest symetrycznie względem szerokości powierzchni frezowanie. Frezowanie niepełne zawsze jest frezowanie niesymetrycznym.

Pod względem kinematycznym rozróżnia się frezowanie przeciwbieżne i współbieżne. W układzie kinematycznym frezowanie walcowego przedmiot obrabiany przesuwa się w kierunku przeciwnym do ruchu pracujących ostrzy freza, lub w innym układzie kinematycznym, noszącym nazwę frezowanie współbieżnego, przedmiot obrabiany przesuwa się w kierunku zgodnym z ruchem pracujących ostrzy freza.

Przy przeciw bieżnym frezowanie materiałów jednorodnych (nie posiadających np. utwardzonego naskórka odlewniczego) ostrza freza szybciej się zużywają niż przy frezowanie współbieżnym. Wynika to stąd, że ostrze freza pracującego przeciwbieżnie nie od razu zagłębia się w materiał skrawany, lecz początkowo ślizga się po materiale, trąc o powierzchnie obrobioną przez ostrze poprzednie. Przyczyną ślizgania się ostrza jest rozpoczynanie skrawania od grubości warstwy równej zeru oraz uginanie się trzpienia, na którym osadzony jest frez przy frezowaniu współbieżnym nie występuje ślizganie się ostrza po materiale, gdyż od razu rozpoczyna ono skrawanie materiału o pewnej grubości. Szybsze zużywanie się ostrzy freza pracującego współbieżnie występuje tylko przy zgrubnym frezowaniu powierzchni surowych jak np. powierzchni odlewów i odkuwek, których zewnętrzne warstwy są utwardzone. W przypadku frezowania czołowego obie odmiany kinematyczne tzn. frezowanie, przeciwbieżne i współbieżne można wyróżniać tylko dla frezowania niesymetrycznego.

Pod względem jakościowym frezowanie można podzielić na: zgrubne, średni-dokładne, dokładne i osiągane w wyjątkowych przypadkach – bardzo dokładne.

Do głównych zalet frezowania jako sposobu obróbki należy zaliczyć przede wszystkim możliwość obrabiania różnych powierzchni tzn. powierzchni płaskich (płaszczyzn), powierzchni sprzężonych (rowków) oraz powierzchni o różnych zarysach i kształtach przestrzennych (np. gwintów, uzębień itp.) ponadto proces frezowania odznacza się dużą wydajności i dokładności obróbki. Te zalety frezowania spowodowały, że po toczeniu stanowi ono najbardziej rozpowszechniony sposób obróbki w przemyśle maszynowym.

KIERUNKI ROZWOJU OBRÓBKI FREZOWANIEM

Obróbka skrawaniem – w tym także frezowanie – w co raz mniejszym stopniu spełnia rolę wstępnego a nawet średnio-dokładnego kształtowania wytwarzanych części gdyż zastępowana jest w tym zakresie przez precyzyjne odlewnictwo i obróbkę plastyczną. Szybki postęp techniczny w obu tych działach technologii maszyn umożliwia stosowanie coraz mniejszych naddatków na obróbkę skrawaniem. Wzrastające wymagania co do dokładności wykonania produkowanych maszyn i urządzeń stawiają jednak przed obróbką skrawaniem nowe zadania polegające nie tylko na uzasadnionej potrzebie zwiększania dokładności geometrycznej (wymiarowej i kształtowej) obrabianych części lecz również zapewnienia określonych własności użytkowych warstwy wierzchniej. Równoległe dąży się do zmniejszenia kosztów obróbki i wzrostu jej wydajności.

Zwiększanie dokładności obróbki na frezarkach uzyskiwane jest przez wzrost sztywności tych obrabiarek przede wszystkim przez zastępowanie frezarek wspornikowych bezwspornikowymi (łożowymi). Niezależnie od rozwiązania konstrukcyjnego frezarek wymagana jest zwiększona dokładność wykonana wrzecion i elementów prowadnicowych jak również zapewnienie zwiększonej dokładności przesunięć i pozycjonowania przesuwnych elementów i zespołów frezarek.

Od nowoczesnych frezarek wymaga się bezdrganiowej pracy przy wysokich parametrach skrawania graniczących z warunkami pełnego ich wykorzystania kinematycznego i dynamicznego spośród frezarek ogólnego przeznaczenia dużymi walorami eksploatacyjnymi odznaczają się coraz powszechniej stosowane frezarki pionowe z rewolwerową głowicą narzędziową. Wrzeciona głowic narzędziowych w większości tych frezarek mogą pracować jako frezarskie lub wiertarskie.

Wymagania co do dokładności, wydajności i kosztów stymulujące rozwój obróbki skrawaniem, odnoszą się nie tylko do obrabiarek ale i do narzędzi. W przypadku frezów zaciera się granica między narzędziem i obrabiarką. Nowoczesnej konstrukcji głowica frezowa, sztywno połączona z wrzecionem frezarki spełnia obecnie bardziej rolę przedłużenia wrzeciona niż odrębnego narzędzia, ponieważ po stępieniu jej ostrzy wystarczy przestawić wieloostrzowe płytki skrawający w gniazdach bez zdejmowania korpusu narzędzia z obrabiarki po niedługim już może czasie okaże się celowe budowanie frezarek produkcyjnych pionowych z wydłużoną końcówką wrzeciona, w której bezpośrednio będą mocowane wkładki z płytkami wieloostrzowymi lub budowania frezarek poziomych – z trzpieniem frezarskim będącym dalszą częścią wrzeciona. Frez walcowy lub tarczowy powstawałby przez uzbrojenie kołnierza takiego wrzeciona w elementy skrawające.

Wymagania co do wydajności obróbki idą w kierunku zapewnienia możliwie dużej trwałości ostrza by przy zwiększonej intensywności procesu skrawania zmniejszyć do minimum przestoje obróbki spowodowane potrzebą wymiany stępionego narzędzia. Wiąże się to oczywiście z zagadnieniem wyboru optymalnych gatunków stali szybko tnących oraz węglików spiekanych użytych do wyrobu frezów.

Drugą możliwością wzrostu wydajności obróbki przez maksymalne skracania czasów przestoju obrabiarki jest przystosowanie konstrukcji frezów do szybkiej ich wymiany lub wymiany samych tylko ostrzy. Tym faktem tłumaczy się coraz szersze stosowanie frezów z płytkami wieloostrzowymi.

W przypadku frezowania dużych powierzchni płaskich głowicami frezowymi jednoczesne zapewnienie wysokiej dokładności obróbki i dużej wydajności staje się obecnie możliwe przez stosowanie głowic o takie budowie, która pozwala zastąpić dotychczasowe dwa zabiegi frezowania zgrubnego i wykańczającego jednym zabiegiem dokonywanym w ramach jednego przejścia są to albo głowice jednostopniowe o dużej średnicy i dużej liczbie ostrzy z odpowiednio dobraną geometrią ostrza, albo – głowice dwustopniowe mające oprócz ostrzy zdzierających również ostrza wygładzające pracujące z małym naddatkiem na niższym poziomie.

Automatyzację prac frezarskich można podzielić na trzy stopnie, różniące się procentowym udziałem zautomatyzowania czynności.

Przykładem pierwszego stopnia automatyzacji prac frezarskich jest obróbka części na frezarkach z półautomatycznym cyklem pracy. Po za mocowaniu przedmiotu obrabianego i po uruchomieniu obrabiarki następuje szybkie dosunięcie przedmiotu do freza, po czym odbywa się automatyczne przełączenie przyśpieszonego posuwu stołu na posuw roboczy. Po skończonym frezowaniu stój zostaje automatycznie wycofany ruchem przyśpieszonym do położenia wyjściowego, w którym się zatrzymuje po zamocowaniu następnego przedmiotu do obróbki powtarza się kolejny taki sam cykl ruchów stołu frezarki. Automatyczne sterowanie ruchami stołu frezarki odbywa się za pomocą przełączników zamocowanych na bocznej lub przedniej powierzchni stołu. Oddziaływanie przełączników na zmianę czynności wykonywanych przez stół frezarki odbywa się na drodze mechanicznej, elektrycznej lub elektrohydraulicznej. Wszystkie pozostałe czynności związane z normalną obsługą obrabiarki, jak np. zmiana prędkości obrotowych wrzeciona, zamocowanie i zdjęcie obrabianego, wymiana stępionego narzędzia itp. wykonywane są ręcznie.

Przykładem drugiego stopnia automatyzacji prac frezarskich jest praca na frezarkach ze sterowaniem programowym. Sterowanie to może być sekwencyjne lub numeryczne. Sterowanie sekwencyjne (inaczej – kolejnościowe) polega na tym, że wykonanie dowolnej następnej czynności jest możliwe dopiero po uprzednim zakończeniu czynności poprzedniej. Sterowanie numeryczne jest to takie sterowanie, przy którym praca obrabiarki w obrębie jednego cyklu tzn. od rozpoczęcia do zakończenia obróbki jednego przedmiotu odbywa się według przegotowanego programu przekazanego obrabiarce w postaci odpowiednio zapisanych liczb (informacji) na taśmie dziurkowanej. Zarówno przy sterowaniu sekwencyjnym jak i numerycznym wymagany jest udział robotnika dla dokonywania zmiany przedmiotu obrabianego tzn. dla zdjęcia z obrabiarki przedmiotu obrobionego i zamocowania następnego.

Trzeci stopień automatyzacji obróbki frezowaniem istnieje w przypadku automatycznych linii obrabiarkowych, w których występują robocze stanowiska frezarskie praca takich linii charakteryzuje się tym, że wszystkie czynności związane z obróbką przedmiotu na każdym stanowisku roboczym wykonywane są automatycznie oraz, że transport przedmiotów obrabianych między stanowiskami linii i mocowanie przedmiotów na wszystkich stanowiskach linii odbywa się również automatycznie. W niektórych przypadkach również wymiana narzędzi (frezów) odbywa się automatycznie. Konstrukcja frezów do automatycznej wymiany powinna uwzględniać szybkie i niezawodne ich mocowanie.